Die Physik ist eine Disziplin, die sich mit Phänomenen aus dem Alltag, der Natur und dem Weltall auseinandersetzt. Physikalische Gesetze und Erklärungen spielen also in vielen Bereichen unseres Lebens eine große Rolle. 

Die Welt der Physik beschäftigt sich mit seltsamen Planeten, Solarmodulen, Maschinen für die Industrie oder der Erforschung von Elementarteilchen. Kein Wunder also, dass sich die Disziplin in viele verschiedene Teilbereiche einteilen lässt.

Diese einzelnen Teilbereiche überlappen sich häufig und können nicht isoliert betrachtet werden. Vielmehr spielen Erkenntnisse und Aussagen aus den einzelnen Teilgebieten häufig auch in anderen Disziplinen wie der Biologie oder Chemie eine große Rolle.

In diesem Artikel zeigen wir euch, welche Teilbereiche es in der Physik gibt, welche Forscher in diesen Gebieten wichtige Erkenntnisse geliefert haben und welche grundlegenden Ansätze man aus den Bereichen gewinnen konnte.

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Und los geht's

Elektrizitätslehre - Gesetze und Wirkungen elektrischer Ladungen

Die Elektrizitätslehre beschäftigt sich, wie der Name schon sagt, mit Elektrizität, also mit Strom, Ladungen, Spannung und Elektromagnetismus. Die Elektrizität als Naturphänomen ist für unsere Welt essenziell und ein modernes Leben ist ohne Strom kaum denkbar.

In einem dunklen Zimmer leuchtet eine Glühbirne und im Hintergrund sind weitere zu sehen.
Die Elektrizitätslehre befasst sich mit elektrischen Ladungen und Strom. |Quelle: Unsplash

Dass elektrische Ladungen so gut erforscht sind, liegt an einigen Wissenschaftlern, die sich seit dem 17. Jahrhundert mit elektrischen Phänomenen befassten:

  • Otto von Guericke: der deutsche Ingenieur fand heraus, dass sich durch Reibung Elektrizität erzeugen lässt.
  • Charles du Fay: dem französischen Forscher verdanken wir die Erkenntnis, dass es zwei entgegengesetzte Formen der elektrischen Ladung gibt.
  • Benjamin Franklin: die Erkenntnis, dass es eine atmosphärische elektrische Ladung, also eine natürliche Elektrizität gibt, geht auf den amerikanischen Naturwissenschaftler zurück.
  • Alessandro Volta: der italienische Physiker fand heraus, dass Elektrizität durch elektrische Leiter fließt und erfand die erste Batterie.
  • André Marie Ampère: nach dem französischen Mathematiker ist die Einheit der elektrischen Stromstärke benannt, denn er erklärte als erster den Magnetismus durch molekulare Kreisströme.
  • Michael Faraday: der britische Physiker entdeckte die elektromagnetische Induktion und gilt als Begründer der Elektrodynamik.

Innerhalb der Disziplin beschäftigt sich der Bereich der elektrischen Felder mit den unterschiedlichen Ladungsarten, die vorliegen: der negativen und positiven Ladung. Dabei ist die elektrische Spannung U die Ursache für die Entstehung von Strom und Energie und wird durch das Ohmsche Gesetz beschrieben.

Ein elektrisches Feld kann über Leiter in einem abgeschlossenen System gebündelt werden, so dass Strom fließt. Dabei beschreibt die elektrische Feldstärke, die in Newton, Coulomb oder Volt gemessen wird, dieses Feld als Quotient aus der elektrischen Kraft.

Neben elektrischen Feldern beschäftigt sich der Bereich auch mit Magnetfeldern, die in der Natur vorliegen. Elektromagnetische Wellen entstehen dabei durch das Auf- und Abschwingen von elektrischen und magnetischen Feldern. Eine elektromagnetische Welle hat dabei eine bestimmte Wellenlänge, die über ihre Funktion bestimmt.

Ob im Studium der Physik oder in der Ausbildung zum Elektriker oder Mechatroniker, die physikalische Elektrizitätslehre spielt im Alltag eine große Rolle!

Astrophysik - die Lehre von Planeten und Sternen

Die Astrophysik als Teilbereich der Physik befasst sich mit der Entstehung und Entwicklung von Sternen, Planeten und Galaxien anhand von physikalischen Methoden. 

Im Weltraum sind Sterne und Himmelskörper in lila zu sehen.
In der Astrophysik geht es um Sterne, Planeten und Galaxien. |Quelle: Unsplash

Um das Verhalten kosmischer Phänomene verstehen zu können, braucht es auch ein Verständnis der Atomphysik, also dem Verhalten von Teilchen und Atomen.

Sei es die Relativitätstheorie, das Verständnis von Schwarzen Löchern oder die Entdeckung neuer Planeten, die Astrophysik blickt auf einen langen Weg der Forschung zurück:

  • Nikolaus Kopernikus: er stellte die These auf, dass nicht die Erde sondern die Sonne das Zentrum des Universums darstellt.
  • Galileo Galilei: er verwendete als erster ein Fernrohr, um Planeten im Sonnensystem beobachten zu können. So entdeckte er die Jupitermonde, was als Grundlage für das Verständnis gilt, dass es ein Sonnensystem gibt.
  • Johannes Kepler: er formulierte Gesetz zur Planetenbewegung, die die Bahnformen von Planeten sowie die Stellung der Sonne erklären konnten.
  • Isaac Newton: er stellte die Gravitationstheorie auf, mit der sich die Bewegung der Planeten erklären ließ.
  • Joseph von Fraunhofer: er entwickelte das Spektrometer, mit dem sich die Zusammensetzung der Planeten untersuchen ließ.

In der Astrophysik werden physikalische Methoden wie Spektralanalyse und Teleskope genutzt, um Erkenntnisse über das Geschehen im Weltall zu gewinnen. Dabei gibt es verschiedene Bereiche, mit denen sich Astrophysiker beschäftigen.

Die Astronomie behandelt die Himmelskörper im Weltraum und ihre Eigenschaften. Die Kosmologie dagegen beschäftigt sich vor allem mit der Entstehungsgeschichte des Universums und hat im Standardmodell der Kosmologie den Urknall als Grundlage für die Entstehung des Universums und Galaxien hervorgebracht.

In der Teilchenphysik beschäftigen sich Forscher mit den Bausteinen der Materie, den Elementarteilchen. Der Bereich der Gravitationsdynamik versucht Erklärungen zur Entstehung und Entwicklung von Galaxien zu finden.

Um als Astrophysiker zu arbeiten, können Interessierte sich für ein Master-Studium der Astrophysik bewerben, das man aktuell an der Universität Bonn, der Universität Potsdam, der LMU München und der Uni Tübingen starten kann.

Die Welt der Astrophysik bietet spannende Einblicke in unser Universum und ferne Galaxien.

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Mechanik - von Flaschenzügen, Hebeln und Maschinen

Bereits die Pyramiden aus dem alten Ägypten zeugen von ausgeprägten mechanischen Kenntnissen der Menschen. Auch ohne moderne Technik konnten hier aufwändige Bauten mit ausgeklügelter Technik errichtet werden.

Die Mechanik, also die Lehre von der Bewegung und Verformung von Körpern sowie den dabei wirkenden Kräften, befasst sich kinematischen und dynamischen Eigenschaften von Körpern.

Das heutige Verständnis der Mechanik geht auf die Arbeit zahlreicher Wissenschaftler zurück, die physikalische Erklärungen für bestimmte Phänomene gesucht haben:

  • Archimedes: auf den griechischen Wissenschaftler gehen wichtige Erkenntnisse zu Statik und der Funktionsweise von Hebeln zurück.
  • Galileo Galilei: die Abkehr von der Naturphilosophie und der Fokus auf experimentelle Beobachtungen, Messungen und mathematische Methoden durch Galilei setzte den Grundstein für die klassische Mechanik.
  • Isaac Newton: die Erkenntnisse von Newton zur Bewegung eines Körpers durch die Anwendung von Kraft waren bahnbrechend auf dem Gebiet.
  • Robert Hooke: er formulierte das Hookesche Gesetz zur Elastizität.
  • Gottfried Wilhelm Leibniz: er lieferte elementare Grundlagen für die Kinetik.

Der Teilbereich lässt sich weiterhin in Kinematik und Dynamik einteilen. Die Kinematik als Unterbereich befasst sich mit der Bewegung von Körpern, ohne dabei auf die dabei wirkenden Kräfte einzugehen.

Eine Maschine mit verschiedenen Teilen von der Seite zu sehen.
Die physikalische Mechanik spielt in der Industrie eine große Rolle. |Quelle: Unsplash

Zu den Grundlagen der Mechanik gehören die Newtonschen Gesetze, bestehend aus dem Trägheitsprinzip, dem Aktionsprinzip und dem Reaktionsprinzip. 

Im Fokus kinematischer Beobachtungen stehen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Körpers. Anders sieht es in der Dynamik aus: hier beschäftigen sich Wissenschaftler vor allem mit Kräften, die auf Gegenstände wirken.

Die Dynamik lässt sich noch weiter in Statik und die Kinetik einteilen. Die Statik beschreibt Kräfte, die auf einen Körper wirken, der sich im Gleichgewicht befindet, während die Kinetik Kräfte behandelt, die einen Körper in seinem Bewegungszustand verändern.

Optik - über Brennweite und Lichtbrechung

Als Teilgebiet der Physik befasst sich die Optik mit den Eigenschaften und der Ausbreitung von Licht sowie seiner Wechselwirkung mit Materie. Dabei behandelt der Bereich Themen wie Kohärenz, Interferenz, Reflexion oder Brechung.

Die Grundlagen der Optik gehen auf frühere Entdeckungen zur Lichtausbreitung zurück:

  • Euklid: der griechische Mathematiker formulierte als erste die These von der geradlinigen Lichtausbreitung sowie das Reflexionsgesetz.
  • Claudius Ptolemäus: mithilfe von Tafeln beschrieb dieser griechische Wissenschaftler die Brechung des Lichts.
  • Alhazen: der arabische Gelehrte entwickelte die Camera Obscura und untersuchte die Reflexion des Lichtstroms an gekrümmten Spiegeln.
  • Johannes Kepler: er entdeckte, dass die Lichtstrahlen vom Punkt des betrachteten Objekts in alle Richtungen ausgehen und nicht vom Auge.
  • Galileo Galilei: auch in diesem Bereich lieferte Galilei Bahnbrechendes, indem er eine Zerstreuungslinse in ein Fernrohr einbaute.
  • Francesco Maria Grimaldi: er beschrieb als erste die Beugung und Interferenz von Licht.

In der Optik wird zwischen Strahlen- und Wellenoptik unterschieden. Die Strahlenoptik befasst sich mit optischen Erscheinungen und Licht auf Grundlage eines Lichtstrahls. Es geht also um die Ausbreitung, Reflexion und Brennweite von Licht.

Ein schwarzes Kameraobjektiv mit weißer Schrift und einer bunten Linse.
Die Optik befasst sich mit der Brechung und Beugung von Licht. |Quelle: Unsplash

Die Wellenoptik dagegen behandelt Licht als Wellen, die von einem Ausgangspunkt in Wellenform strahlen und erklärt Fragen zur Lichtbeugung und Interferenz. 

Die Welt der Optik behandelt außerdem Lichtteilchen sowie Farben.

Thermodynamik - Hitze, Druck und Maschinen

Die Thermodynamik, auch Wärmelehre genannt, behandelt Fragen zu Energie in verschiedener Form, ihrer Umwandlung und der Leistung von Arbeit. 

Um die Energieumwandlung verstehen zu können, mussten Forscher zunächst thermodynamische Prozesse erklären:

  • Temperaturskalen: für eine einheitliche Verwendung des Thermometers entwickelten Gabriel Fahrenheit, Anders Celsius und Lord Kelvin Temperaturskalen, die noch heute genutzt werden.
  • Verhalten von Gas: mit dem Zusammenhang von Druck, Temperatur und Volumen eines Gases beschäftigten sich Robert Boyle, Edmé Mariotte und Lois Gay-Lussac, als sie Gesetze über das Verhalten von Gas aufstellen.
  • Entwicklung der Wärmekraftmaschinen: Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot erkannte, dass durch heißen Wasserdampf eine Umgebung erwärmt und dadurch Arbeit geleistet werden kann - der Grundstein für die industrielle Revolution.
  • Erhaltung der Energie: Rudolf Clausius formulierte den 2. Hauptsatz der Thermodynamik, indem er Wärme als Bewegung kleinster Teilchen verstand.

Zu den wichtigsten Grundlagen der Thermodynamik zählen die vier thermodynamischen Hauptsätze, ein Verständnis von thermodynamischen Systemen sowie das Prinzip der Wärmekapazität.

Die Ausbreitung von Wärme, also der Wärmetransport kann in Form von Wärmeleitung, Wärmestrahlung oder Wärmemitführung erfolgen und so für eine Übertragung von Energie sorgen.

Dieser Artikel hat gezeigt, wie umfangreich die einzelnen Teilgebiete der Physik sind und welche Forscher mit ihren Erkenntnissen die Grundlage für unser heutiges Verständnis geliefert haben.

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Elissa

Leidenschaftliche Weltenbummlerin, Köchin und Lebensgenießerin.