Geschichtlich gesehen beginnt die Ära der Physik als anerkannte Naturwissenschaft mit dem 17. Jahrhundert um sich mit  Ende des 19. Jahrhunderts als die klassische Physik zu entwickeln. Das Wort Physik stammt im Übrigen aus dem Griechischen und Lateinischen und heißt übersetzt Naturlehre.

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Und los geht's

Die Physik ist überall

Fast alles, was wir im Alltag erleben, hat mit Physik zu tun. Wenn wir Musik hören, sprechen wir häufig von guter Akustik. Die Brille, die eine Sehschwäche ausgleicht, verbessert die Optik. Reicht die eigene Körperkraft nicht aus, hilft  die Mechanik mit einem Flaschenzug die Last mit halber Kraft in die Höhe zu bringen.

Weiße Heizkörper strahlen die Wärme besser ab als Schwarze und die Wärmelehre erklärt uns warum das so ist. Auf dem Berg kocht das Wasser schon bei 80 °C ,im Tal allerdings erst bei  100 °C . Ein tonnenschwerer Tanker schwimmt über die Meere, aber ein winzig kleiner Stein versinkt sofort im Wasser.

Wir nehmen die Dinge einfach hin. Aber fragt man uns, warum die Dinge so funktionieren, fehlt uns häufig die Erklärung. Wenn Dich die Antworten interessieren, könnte ein Physikstudium oder die Ausbildung zum PTA genau das Richtige sein.

Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich neugierig | Albert Einstein

Wir versuchen dieses Thema  anhand einiger Beispiele zu erklären. Jedoch nehmen wir für uns nicht in Anspruch in diesem Artikel diese Naturwissenschaft komplett behandeln zu können. Beispiele zu den Hauptthemen sollen Dir einen Eindruck verschaffen wie abwechslungsreich die Physik ist.

Interessanter Untericht | Quelle:visualhunt
Experimente lassen Naturwissenschaften spielerisch erlernen | Quelle: visualhunt

Themen des Physikunterrichts

Leider ist für die meisten Schüler und Schülerinnen die Physik ein sehr lästiges Fach. Schade, denn mit guten Experimenten und gelungenen Präsentationen könnte man den Physikunterricht sehr anschaulich gestalten. Die Begeisterung für die Physik kommt dann von ganz alleine und motiviert die Schüler zur Teilnahme.

Grundlegende Kenntnisse des wissenschaftlichen Arbeitens und Fachwissen werden vermittelt und bei den notwendigen Berechnungen hilft die Mathematik.  So können die Schüler ihre gemachten Beobachtungen wissenschaftlich belegen und ihre selbstgesteckten Ziele erreichen.

In der Physik betrachtet man die Kräfte in der Natur und wie sie auf Stoffe wirken. Alles wird erforscht was in Raum und Zeit passiert, das Weltall, die Sterne und Galaxien. Aber auch die kleinsten Dinge wie die Atome und deren Bestandteile sind von Interesse.

Die Menschen, die sich professionell mit solchen Themen auseinandersetzen sind Physikerinnen und Physiker. Um die komplizierten Zusammenhänge bestimmter Phänomene dieser Welt zu erklären, bedarf es bestimmter Gesetzmäßigkeiten und Formeln, die mit Experimenten auf ihre Richtigkeit überprüft werden müssen.

Dies gelingt, indem man sich physikalischer Größen bedient und diese mit dem geeigneten Messequipment genau bestimmt. Ein Zollstock misst die Länge eines Weges, ein Thermometer die Temperatur einer Flüssigkeit und eine Uhr, die Zeit, die benötigt wird, um eine Strecke zurückzulegen.

Formeln, Einheiten und Zahlen

In der Physik werden Zahlenwerte und Einheiten miteinander kombiniert, die international verstanden und akzeptiert werden. Maßeinheiten sind beispielsweise Meter, Millimeter, Liter oder Kilogramm, um nur einige zu nennen. Diese sind dann wiederum in einem internationalem Einheitensystem dem SI System organisiert.

Die fachspezifische Sprache der Physik sind die Formel- und  Einheitenzeichen. Die Länge des Weges beträgt zwei Meter wird wie folgt ausgedrückt:  l = 2 m. Die Formelzeichen stehen also für die physikalischen Größen. Mit ihnen kann der Physiker seine Erkenntnisse sehr kurz als Formel schreiben.

Physik und andere Naturwissenschaften

Es gibt natürliche Verbindungen zu anderen Naturwissenschaften wie der Biologie, Chemie und Astronomie. Im Körper des  Menschen und allen anderen Lebewesen spielen sich Vorgänge ab, wie die Atmung oder die Flüssigkeitsaufnahme der Zellen, die physikalisch zu erklären sind.

Teilgebiete der Physik

Die Mechanik

Die Mechanik beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Flüssigkeiten, festen Stoffen und Gasen, dem Volumen, der Masse und der Dichte. Weitere Themen sind die Bewegung von Körpern, Kräfte und ihre Wirkungen, der Auftrieb und das Sinken, das Fliegen, die mechanischen Schwingungen und Wellen.

Ein besonderes Phänomen ist die Schwerkraft. Da wir uns auf der Erde befinden, unterliegen wir der Schwerkraft, Gravitation oder auch Erdanziehungskraft. Wie der Name  schon sagt, sorgt sie dafür, dass wir auf dem Boden stehen und nicht davonfliegen.

Gravitation die Kraft die uns umgibt
Schwerkraft- die Kraft die uns am Boden hält| Quelle: unsplash

Alle Gegenstände, die man loslässt, werden von ihr angezogen und fallen zu Boden. Schwerkraft ist unsichtbar, und doch ist sie da. Wäre sie nicht da, würde die Erde davonschweben und nicht um die Sonne kreisen. Die Folgen für uns wären fatal. Ihre Kraft wirkt auf alle Körper und das auf riesige Entfernungen.

Wärmelehre oder Thermodynamik

Die Thermodynamik behandelt Themen wie die Temperatur von Körpern. Die unterschiedlichen Aggregatzustände von Stoffen, die Übertragung von Wärme und Wärmekraftmaschinen. Ein weiteres Feld sind die Themen Wärmestrahlung, Wärmeabsorption und die Reflexion von Wärme.

Der natürliche Treibhauseffekt

Ein Wärmethema ist der Treibhauseffekt und die damit verbundene Erwärmung der Erde. Dieser Effekt ist vergleichbar mit den Vorgängen, die bei einem Treibhaus mit gläsernem Dach zu beobachten sind. Im Fall der Erde übernimmt die Atmosphäre, insbesondere ihre Bestandteile  wie Wasserdampf, Kohlenstoffdioxid, Methan, Ozon und Fluorchlorkohlenwasserstoffe die Rolle des Glases.

Man fasst diese Gase auch unter dem Begriff der Treibhausgase zusammen oder nennt sie auch klimawirksame Gase. Von der gesamten Strahlung der Sonne gelangen am Ende des Tages 60 % auf dem Erdboden. Der Rest wird durch Absorption und Reflexion wieder ins Weltall zurückgeschickt. Um im thermodynamischen Gleichgewicht zu bleiben, müsste die Erde ungefähr 60 % der auftreffenden Strahlung als Wärmestrahlung wieder abgeben.

Die in der Atmosphäre enthaltenen Treibhausgase lassen nur einen geringen Anteil der Wärmestrahlung passieren. Der Hauptanteil der Erdwärmestrahlung wird wiederum von ihnen absorbiert und dann zu gleichen Teilen nach oben und unten abgegeben.

Die Wechselwirkung zwischen der Erdoberfläche und den Treibhausgasen in der Atmosphäre setzt sich solange fort, bis sich ein Gleichgewicht einstellt. Ohne den natürlichen Treibhauseffekt würde auf der Erdoberfläche eine durchschnittliche Temperatur von -18 °C herrschen und kein Leben wäre möglich. Infolge des natürlichen Treibhauseffektes beträgt die durchschnittliche Temperatur auf der Erdoberfläche +15 °C.

Der zusätzliche Treibhauseffekt

Das Gleichgewicht der Wechselwirkung zwischen der Erdoberfläche und den Treibhausgasen in der Atmosphäre wird in den letzten Jahrzehnten durch die zusätzliche Abgabe klimawirksamer Gase in die Atmosphäre extrem gestört. Dieser vom Mensch zusätzlich generierte Treibhauseffekt bewirkt die immer weiter fortschreitende Erderwärmung mit all ihren fatalen Folgen.

Elektrizitätslehre oder Elektrik

Elektrizitätslehre oder Elektrik beschäftigt sich mit den Eigenschaften von elektrisch geladenen Körpern, dem Magnetismus, den Wirkungen des elektrischen Stromes, den Gesetzen in elektrischen Stromkreisen, der Erzeugung und Umformung von Elektroenergie, den elektromagnetischen Schwingungen und Wellen.

Naturereignis Gewitter Elektrizität und Akustik
Blitze- natürliche Elektrizität mit gewaltiger Energie| Quelle: unsplash

Technischer, elektrischer Strom entsteht häufig in einem Generator. Solche gibt es zum Beispiel an Fahrrädern, um Licht zu machen. Dort nennt man sie Dynamo. Im Innern  des Dynamos befindet sich ein Magnet. Dieser wird in eine Drehbewegung versetzt und induziert in einer Kupferspule einen elektrischen Strom. Es wird also mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Der natürliche Magnetismus

Magnetismus ist ein natürliches Phänomen und die Erde der beste Beweis. Die Erde wirkt wie ein Magnet und der Grund könnten die riesigen Mengen Magma im Innern der Erde sein.

Die Reibung der geschmolzenen Steine bewirkt eine elektrostatische Aufladung. Diese wiederum bewirkt an Nordpol und Südpol ein Magnetfeld, das die Magnetnadel eines Kompasses anzieht.

Die Optik

Die  Ausbreitung von Licht, ihre Reflexion und Brechung sind Themen mit denen sich die Optik befasst. Dazu gehören auch die Kameratechnik und die Bildentstehung. Der  Aufbau optischer Geräte und die Wirkungsweise der reflektierenden Spiegel. Die  Lichtbündelung und - Streuung  der Konkav und Konvexlinsen wird erläutert und die  durch Lichtbrechung entstandenen Spektren und ihre Farben.

Optische Präzision | Quelle: unsplash
Kamera Objektiv - optisches Hightech Equipment | Quelle: unsplash

Schickt man weißes Licht durch ein Prisma, also einen lichtdurchlässigen und lichtbrechenden Körper, wird es in seine Spektralfarben zerlegt.

In der Natur wird das Licht der Sonne  bei Regen durch die winzigen Wassertropfen umgelenkt und gebrochen und erzeugt einen Regenbogen. Dieser Regenbogen ist eine natürliche, optische Erscheinung.  Sein Farbspektrum ist fast übergangslos und zeigt sich in violett, blau, grün, gelb und rot.

Die Akustik

Diejenigen von uns, die gerne Musik hören haben wie selbstverständlich mit Akustik zu tun. Denn sie ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Die Entstehung und Erzeugung von Schall, deren Ausbreitung, Beeinflussung und Analyse wird wissenschaftlich in der Akustik untersucht.

Schall wird bekanntlich von einer Schallquelle ausgesendet, man sagt auch emittiert. Eine Schallquelle wäre z.B. auch ein rollender Reifen von einem LKW. Von dort breiten sich die Schallwellen kugelförmig in alle Richtungen aus. Mit zunehmender Entfernung  zum emittierenden Reifen wird das Geräusch bzw. die Schallwellen immer kleiner und nehmen auch in ihrer Intensität ab.

Gibt es entlang Ihres Ausbreitungsweges Hindernisse wie eine Schallschutzwand, eine Hecke oder ein Fenster so wird die weitere Ausbreitung verändert oder auch verhindert. Denn wenn die Schallwellen auf die Oberfläche dieser Hindernisse treffen, werden sie reflektiert oder absorbiert, zumindestens teilweise.

Die Atom - und Kernphysik

Die Atomphysik untersucht unter anderem den Aufbau von Atomen. Sie beschäftigt sich mit den Elementarteilchen und dem Dualismus,  also der Welle- und Teilchen Theorie.

Die klassischen Themen der Kernphysik sind die Radioaktivität und die Eigenschaften radioaktiver Strahlung. Natürlich gehören der Strahlenschutz, die Erzeugung von Kernenergie und die resultierenden Energiebilanzen bei Kernreaktionen dazu.

Fast jeder von uns wurde schon mal geröntgt und akzeptiert diese Diagnostik als alltäglich und normal. Doch wie funktioniert sie eigentlich? Röntgenstrahlung besteht aus energiereichen elektromagnetischen Wellen. Diese wiederum entstehen, wenn Elektronen hoher kinetischer Energie schlagartig abgebremst werden.

In der Röntgendiagnostik werden Röntgenstrahlen dazu genutzt, um Körperteile zu untersuchen. Das betreffende Körperteil wird zwischen eine Röntgenröhre und einen Röntgenfilm gebracht und durchstrahlt. Aufgrund des unterschiedlichen Absorptionsvermögens werden z.B. Knochen deutlich dargestellt.

vielfältige Anwendungen der Röntgenstrahlung| Quelle: unsplash
Röntgenstrahlen ermöglichen in vielen Bereichen eine gute Diagnostik | Quelle: unsplash

 

Eine andere Anwendung ist die Röntgentherapie, bei der sogenannte harte Röntgenstrahlung zum Einsatz kommt, um Tumorzellen abzutöten. Dabei wird die Erkenntnis angewendet, dass krankes Gewebe eine höhere Strahlungsempfindlichkeit besitzt als gesundes Gewebe. Durch zusätzliche Medikamente kann diese Empfindlichkeit weiter erhöht werden.

Bei der Werkstoffprüfung oder Materialprüfung nutzt man die hohe Durchdringungsfähigkeit von Röntgenstrahlung, um beispielsweise die Qualität von Schweißnähten zu prüfen.

Fazit

Zukünftig sollte die Ethik und die Verantwortung für die Menschen und die Natur in der Wissenschaft und besonders in der Physik  immer eine entscheidende Rolle spielen. Häufig stand die Eitelkeit der Genies und Wissenschaftler weit über dem Allgemeinwohl der Menschheit.

Deshalb sollte, nein muss eine unabhängige Instanz  einer breiten gesellschaftlichen Schicht abseits jeglichen Lobbyismus die Verwendung der Entdeckungen bestimmen. Die Vergangenheit hat gezeigt,  dass Skrupellosigkeit, Unachtsamkeit, Naivität, Unkenntnis, mangelnde perspektivische Voraussicht  und politisches Kalkül ins Chaos führten.

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Karl Heinz

Hi, it's me - Karl Heinz, not really new, but still active. My passions are outdoor activities. I love the nature, riding the bike, hiking through the mountains, preferably with my wife and my dog. These are opportunities to let flow my thoughts and get inspiration for writing comments and blogs.