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Die Gesetze der Physik lernen und verstehen

Die Bedeutung der Entdeckungen von Isaac Newton, Stephen Hawking, Albert Einstein, Conrad Röntgen & Co. für die Menschheit

Du wolltest schon immer Physik lernen und interessierst Dich seit einiger Zeit für die wissenschaftlichen Erkenntnisse, etwa von Newton, Hawking & co.

Aber der Physikunterricht in der Schule ist derart trocken, dass es Dir die ganze Leidenschaft an der Physik nimmt?

Du bist auf der Suche nach einer kompetenten und verständnisvollen Physik Nachhilfe, um frustfrei Physik zu lernen?

Oft geht es sich im Physikunterricht darum, Theorien, Formeln und Grundsätze auswendig zu lernen – und davon gibt es einige!

Nur, um einige zu nennen - Isaac Newton, Stephen Hawking, Albert Einstein und Conrad Röntgen sollten Dir ein Begriff sein, wenn du Physikunterricht in der Schule hast.

Von Isaac Newton hast Du sicherlich bereits im Physikunterricht, etwa zur Vorbereitung auf das Physik Abitur, gehört.

Er ist der Begründer der drei newtonschen Axiome, der Differenzialrechnung, des newtonschen Gravitationsgesetzes und ist außerdem der Begründer der Farbentheorie des Lichts.

Der Urknall, schwarze Löcher und das Universum interessieren Dich?

Dann solltest Du dich näher mit dem Begründer der Hawking-Strahlung auseinandersetzen, nämlich, oh, Überraschung: Stephen Hawking.

Der faszinierende britische Wissenschaftler der Universität Cambridge, der am 14. März 2018 starb, schrieb im Jahre 1966 bereits seine Doktorarbeit, in der er aus Einsteins Relativitätstheorie ableitete, dass das Universum einen Anfang hat und es vor dem Urknall, oder dem Big Bang, keine Zeit gab.

Die Zeit fing also erst beim Urknall an und Stephen Hawking ist es gelungen, dies zu beweisen.

Eine weitere spannende Erkenntnis von Stephen Hawking folgte im Jahr 1971:

Er konnte beweisen, dass bei der Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern ein einziges schwarzes Loch entsteht das, aufgepasst, größer ist als die beiden ursprünglichen schwarzen Löcher zusammen.

Allerdings wurde diese Theorie erst vor kurzem, im Jahre 2016, wissenschaftlich bewiesen.

Kurze Zeit später, im Jahr 1973, fiel Stephen Hawking erneut auf, indem er bewies, dass schwarze Löcher eine Strahlung aussenden, die als Hawking-Strahlung bekannt ist.

Stephen Hawking ist der Auffassung, dass es folglich im Universum eines Tages keine schwarzen Löcher mehr geben wird, da diese aufgrund der austretenden Strahlung verdampfen oder explodieren.

Kein Wunder also, dass ein Genie wie Stephen Hawking auf eine Ebene mit Albert Einstein gesetzt wird!

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Im Physikunterricht warst Du schon immer der oder diejenige mit den ausnahmslos guten Noten, und hast Dir deshalb vorgenommen, nach dem Physik Abitur an der Uni Physik zu studieren oder gleich Physik Lehrer zu werden?

Themen wie Astrophysik, Experimentalphysik, Kernphysik, Quantenphysik oder Thermodynamik sind für Dich keine schwarze Kunst mehr, oder ganz im Gegenteil, bereiten Dir schlaflose Nächte?

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Die Geheimnisse der Astrophysik

Wisst Ihr eigentlich, was der Unterschied zwischen Astrophysik, Astronomie, Astrologie und Astrobiologie ist?

Der Begriff der Astrophysik ist der moderne Begriff des 20. Jahrhunderts, der für die Physik astronomischer und kosmischer Objekte verwendet wird.

Die Astrologie, also im Prinzip die Sterndeutung, die nicht mit der Astrobiologie (Die Lehre biologischer Wirkungen von Sonne und Mond) zu verwechseln ist, bezeichnet schlicht und ergreifend die Deutung der Horoskope und basierte bis ins 18. Jahrhundert auf der Annahme, dass es einen Zusammenhang geben muss zwischen physikalischen und irdischen Ereignissen - also alles in allem nicht sehr wissenschaftlich…

Dahingegen bezeichnet die Astronomie die Wissenschaft nach Galileo, welche den Ort und die Bewegung von Objekten beschreibt. Die Astronomie ist aller Wahrscheinlichkeit die älteste Wissenschaft, basiert allerdings auf religiösen Ideen, wie etwa der Unerreichbarkeit des Himmels und der Position des Menschen gegenüber dem Himmel.

Sicherlich sagt Euch der Name Johannes Kepler etwas – er war ein bedeutender Astrologe. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wandelte sich die Astronomie in eine wissenschaftlichere Version - die Astrophysik.

In der Astrophysik dreht sich alles um die verschiedenen Himmelskörper und die Erforschung des Universums. Auch andere Bereiche wie die Mathematik und Informatik sind in der Astrophysik von Bedeutung.

Im Grunde zielt die Astrophysik darauf ab, Informationen zu sammeln, etwa über das Licht in verschiedenen Wellenlängenbereichen oder etwa über Elementarteilchen wie Neutrinos, Protonen oder Produkte von Zerfallskaskaden.

Außerdem zielt die Astrophysik auf die Analyse der Eigenschaften der Datenträger (Spektrum, Intensität, Polarisation), die Eigenschaften der Lichtquellen (Temperatur, chem. Zusammensetzung, Größe, Geschichte) ab.

Ein spannendes Geheimnis der Astrophysik ist beispielsweise die Existenz der dunklen Materie, die zu den größten Fragen der Astrophysik gehört.

Durch die dunkle Materie werden beispielsweise Gaswolken und Galaxien verbunden – jedoch weiß niemand, auch Wissenschaftler nicht so richtig, worum es sich bei der Materie handelt.

Zunächst einmal handelt es sich bei der dunklen Materie um eine Materie, die nicht leuchtet.

Die ersten Hinweise auf die Existenz einer solchen dunklen Materie gab es in den 1930er Jahren durch den Wissenschaftler aus der Schweiz, Fritz Zwicky: Die Rotationsgeschwindigkeiten von Sternen in Galaxien ließen sich nicht anders erklären als durch die Existenz einer dunklen Materie, deren Existenz unter anderem durch die amerikanische Raumsonde Wilkinson Microwave Anisotropy Probe WMAP bewiesen wurde.

Was ist ein schwarzes Loch?

Ein schwarzes Loch ist ein Ort, an dem die Gravitation sehr stark ist. So stark, dass selbst das Licht nicht mehr entweichen kann – was dazu führt, dass Lichtstrahlen nicht mehr geradlinig, sondern gebogen verlaufen.

Auch Einstein hat in seiner Relativitätstheorie derartige Raumkrümmungen vermutet. Ein schwarzes Loch hat eine Masse mit unendlich hoher Dichte und einem Gravitationsfeld, das unendlich stark ist (Singularität).

Es gibt verschiedene Arten schwarzer Löcher. Zum einen gibt es die supermassereichen schwarzen Löcher mit etwa 105 bis 1010 Sonnenmassen. Daneben gibt es stellare schwarze Löcher, mit bis zu 10 Sonnenmassen und wahrscheinlich auch mittelschwere schwarze Löcher, mit einer Masse von hundert bis einigen tausend Sonnenmassen.

Das Universum besteht zu etwa 80 Prozent aus einem Stoff, den bisher noch nie jemand zu Gesicht bekommen hat – die Rede ist von dunkler Materie. Schätzungsweise macht die dunkle Materie etwa 27 Prozent der Energiedichte des Weltalls aus.

Wie weit ist die Milchstraße entfernt?

Die Milchstraße, eine Galaxie, in der sich auch unser Sonnensystem und die Erde befindet. Sie zählt zu den Balkenspiralgalaxien.

Die Milchstraße besteht aus ungefähr 100 bis 300 Milliarden Sternen und ist etwa 26.000 Lichtjahre von unserem Sonnensystem entfernt: Der nächstliegende Punkt ist die Zwerggalaxie „Canis Majo“ (großer Hund).

Übrigens, Galaxis stammt aus dem Altgriechischen galaxias (γαλαξίας) was wiederum aus dem Wort gala (γάλα, Milch) abgeleitet wurde.

Auch der Name der Milchstraße entstammt übrigens der griechischen Mythologie: Zeus hatte seinem Sohn Herakles eine sterbliche Frau geschenkt – Alkmene.

Damit Herakles aber göttliche Kräfte erhält, sollte er an der Brust der göttlichen Hera trinken. Leider saugte Herakles so feste, dass Hera aufwachte und die Milch im ganzen Himmel verspritzt wurde.

Übrigens entdeckte Galileo, dass die Milchstraße zwar aus unzähligen Sternen zusammengesetzt ist, aber auch aus dunklen Stellen besteht. Diese dunklen Stellen sind nicht etwa schwarze Löcher, sondern Sterne in größerer Entfernung.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts fanden diese nebelhaften Objekte einen Namen: Galaxien. Schließlich folgte die Theorie, dass die Milchstraße eine Scheibe einer Galaxie ist und dass unser Sonnensystem Teil dieser Scheibe ist. Die dunklen Stellen auf der Milchstraße sind lichtabsorbierende Gasmassen.

Daraus ließ sich schlussfolgern, dass die Milchstraße nur eine von vielen Galaxien und dass es noch mehrere davon gibt. Folglich herrscht zwischen diesen Galaxien leerer Raum.

Eine weitere bekannte Galaxie ist neben der Milchstraße der Andromeda-Nebel sowie die große und die kleine magellansche Wolke im Südhimmel. Diese Galaxien gehören zur lokalen Galaxiengruppe.

Wie kann sich das Universum ausbreiten, obwohl es unendlich ist?

Das Universum expandierte seit dem Urknall in den ersten Milliarden Jahren seiner Existenz langsam. Allerdings nimmt seit einiger Zeit die Ausdehnungsgeschwindigkeit wieder zu.

Diese schnellere Ausdehnungsgeschwindigkeit steht im Zusammenhang mit dem Konzept der dunklen Energie.

Albert Einstein hat das Universum mit seiner Relativitätstheorie beschrieben – alles schön und gut – bis auf einen Haken: Die Relativitätstheorie basiert auf einem statischen Universum, das sich nicht verändert.

Erst im Jahre 1922 gab Alexander Friedmann eine Gleichung an, die ein kontrahierendes oder expandierendes Universum beschreibt. Im Jahre 1927 entdeckte der Belgier Georges Lemaître, der auch das Phänomen der Galaxienflucht entdeckte, das heute als Nebelflucht bezeichnet wird.

Habt Ihr eine Vorstellung von den Größenverhältnissen des Universums? Beispielsweise beträgt die Entfernung zwischen der Erde und der Sonne etwa 150 Millionen km oder 1.5 * 103 cm, was einer astronomischen Einheit (AU) entspricht.

Die Lichtgeschwindigkeit braucht mit c = 3 1010 cm/s etwa 8 Minuten für diese Strecke. Allerdings braucht das Licht bis zum nächsten Stern 4 ganze Jahre! Das bedeutet, dass dieser 4200-mal so weit wie das Sonnensystem groß ist!

Unser Universum breitet sich aus, und zwar bis auf eine Entfernung von 40 AU, was der Entfernung bis zum Pluto entspricht.

Haben wir Eure Neugier und Eure Leidenschaft für die Geheimnisse der Physik geweckt? Auch, wenn Ihr nicht Physik als Schulfach habt, kann es spannend sein, sich mit den Theorien der Physik zu beschäftigen. Die gute Nachricht? Superprof hat die besten Physik Lehrer für Euch – ob für Online Unterricht oder klassische Physik Nachhilfe !