Die Physik ist
eine Naturwissenschaft.
Sie beschäftigt sich mit grundlegenden Erscheinungen und Gesetzen in
unserer Umwelt und ermöglicht auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse
die Erklärung und Voraussage vieler Erscheinungen in der Natur.
Das Wort "Physik" ist von dem griechischen Wort "physis"
bzw. "physikos" abgeleitet,
das "Natur" bzw. "die Natur betreffend" bedeutet. Wie
auch bei anderen Naturwissenschaften besteht das Ziel physikalischer Forschung
darin,
- in der Natur Zusammenhänge und Gesetze zu erkennen,
- mithilfe der gewonnenen Erkenntnisse Erscheinungen und Vorgänge
erklären und voraussagen zu können,
-
die gewonnenen Erkenntnisse bewusst zu nutzen, um das Leben der Menschen sicherer und angenehmer zu machen.
Die Naturerscheinungen, mit denen sich die Physik beschäftigt, sind sehr vielfältig. Hauptgegenstandsbereich der Physik ist die unbelebte Natur, es gibt aber auch zahlreiche Verbindungen zu anderen Naturwissenschaften und damit auch zur belebten Natur. Bei der Untersuchung jeder Naturerscheinung entstehen auch Fragen, die beantwortet werden müssen. Nachfolgend sind einige wenige Beispiele und mit ihnen verbundene Fragen genannt:
Eine Naturerscheinung ist der Regenbogen (Bild 1). Wie entsteht ein Regenbogen? Unter welchen Bedingungen kann man ihn sehen? Warum hat ein Regenbogen immer dasselbe Farbband? Warum sieht man manchmal sogar zwei Regenbogen übereinander?
Ein Lagerfeuer kann faszinierend sein (Bild 2). Woher kommen Wärme
und Licht des Feuers? Wie lautet für einen solchen Vorgang die Energiebilanz?
Wie entsteht Feuer, wie kann es gelöscht werden? Warum geben unterschiedliche
Brennmaterialien unterschiedlich viel Wärme und Licht ab? Wovon hängt
es ab, ob nur Wärme entsteht oder ob auch Licht abgestrahlt wird?
Im Nordpolarmeer und im Südpolarmeer schwimmen gewaltige Eisberge
im Wasser (Bild 3). Dabei sieht man nur ihre Spitze, weil sich etwa 90
% eines Eisberges unter Wasser befinden. Warum schwimmt überhaupt
ein viele Tonnen schwerer Eisberg? Warum befindet sich der größte
Teil unter Wasser? Weshalb sind das gerade etwa neun Zehntel, die sich
unter Wasser befinden? Wie lange existiert ein auf dem Wasser schwimmender
Eisberg? Verändert sich die Höhe des Wasserspiegels, wenn ein
solcher großer Eisberg schmilzt?
In großen Räumen oder in den Bergen (Bild 4) kann man Echos hören. Wie kommt ein solches Echo zustande? Wovon ist die Dauer zwischen einem Ruf und der Wahrnehmung seines Echo abhängig? Unter welchen Bedingungen entsteht ein Mehrfachecho?
Seit etwa 1900 ist die Existenz von Atomen anerkannt. Damit ergaben sich
zahlreiche Fragen, z.B.: Wie ist ein Atom aufgebaut? Wie unterscheiden
sich die Atome verschiedener Stoffe voneinander? Sind Elektronen, Protonen
und Neutronen tatsächlich die kleinsten existierenden Teilchen oder
sind sie aus noch kleineren Teilchen zusammengesetzt? Wie ist die Stabilität
eines Atoms zu erklären?
Mit all diesen und vielen weiteren Fragen beschäftigt sich die Physik.
Dabei werden typische Denk-
und Arbeitsweisen angewendet, die mit solchen Tätigkeiten
wie Beobachten, Beschreiben, Vergleichen, Messen, Experimentieren oder
Interpretieren verbunden sind. Nähere Erläuterungen dazu sind
bei den einzelnen Tätigkeiten gegeben, die unter ihren Bezeichnungen
zu finden sind.
Einteilung der Physik
Der Gegenstandsbereich
der Physik ist sehr umfangreich, sodass man schon relativ zeitig eine
Einteilung in Teilgebiete vorgenommen hat. Diese traditionelle Einteilung
bezieht sich auf die klassische Physik und umfasst folgende fünf
große Teilgebiete:
- Mechanik: Sie beschäftigt sich mit den Eigenschaften (Volumen, Masse, Dichte) und der Bewegung von Körpern, Kräften und ihren Wirkungen, dem Auftrieb und dem Schwimmen, dem Fliegen, den mechanischen Schwingungen und Wellen, der Entstehung und den Eigenschaften von Schall. Wichtige Teilbereiche sind die Kinematik, die Dynamik, mechanische Schwingungen und Wellen und die Akustik.
- Wärmelehre oder Thermodynamik: Ihr Untersuchungsgegenstand ist die Temperatur von Körpern, die Aggregatzustände und ihre Änderungen, die Übertragung von Wärme und Wärmekraftmaschinen. Ein wichtiger Teilbereich ist die kinetische Gastheorie.
- Elektrizitätslehre oder Elektrik: Sie beschäftigt sich u. a. 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. Wichtige Teilbereiche sind z.B. die Elektrostatik, der Gleichstromkreis, der Wechselstromkreis, elektrische und magnetische Felder oder elektromagnetische Schwingungen und Wellen.
- Optik: Sie beschäftigt
sich mit der Ausbreitung von Licht, der Reflexion und Brechung, der
Bildentstehung bei Spiegeln und Linsen, dem Aufbau und der Wirkungsweise
optischer Geräte sowie mit Farben und Spektren. Die Optik ihrerseits
kann eingeteilt werden in die Strahlenoptik
(geometrische Optik), Wellenoptik
und Quantenoptik.
- Atom- und Kernphysik: Untersuchungsgegenstand dieses Teilgebietes ist der Aufbau von Atomen, die Umwandlung von Atomkernen, Radioaktivität und die Eigenschaften radioaktiver Strahlung, die Erzeugung von Kernenergie. Ein wichtiger Bestandteil der Atomphysik ist die Physik der Elementarteilchen.
Neben diesen traditionellen Teilgebieten kommen solche Bereiche wie
- die Quantenphysik und
- die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie
hinzu. Aus der historischen Entwicklung der Physik ergibt sich auch eine andere Einteilungsmöglichkeit, nämlich die in die klassische Physik und in die moderne Physik.
Unter der klassischen Physik versteht man alle die physikalischen Erkenntnisse,
die sich in die Theorien einordnen lassen, die etwa bis zum Jahr 1900
entwickelt worden sind. Der überwiegende Teil der Inhalte, die im
Physikunterricht behandelt werden, gehört zur klassischen Physik.
Unter dem Begriff der modernen Physik fasst man die Theorien zusammen,
die nach 1900 entwickelt worden sind. Dazu gehören z. B. die Relativitätstheorie,
die Quantentheorie, große Teile der Elektronik, die Quantenelektrodynamik
und die Chaos-Theorie.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Physik in solche Bereiche einzuteilen, die mit analogen Gesetzen beschrieben werden können oder einen inhaltlichen Gegenstandsbereich abdecken. Unter einem solchen Gesichtspunkt kann man die Physik z. B. einteilen in:
- Schwingungen und Wellen,
- Energie,
- Elektrische Leitungsvorgänge in verschiedenen Stoffen und im
Vakuum,
- Elektrische Felder, magnetische Felder und Gravitationsfelder,
- Teilchen.
So werden z. B. bei den Schwingungen und Wellen sowohl mechanische als auch elektromagnetische Schwingungen und Wellen betrachtet. Alle Arten von Schwingungen und Wellen kann man mit den gleichen bzw. analogen Begriffen beschreiben. Für alle Schwingungen und Wellen gelten die analogen Gesetze.
In der Fachwissenschaft sind Einteilungen nach den jeweiligen Forschungsbereichen
üblich. Beispiele dafür sind die Festkörperphysik,
die Elementarteilchenphysik,
die Polymerphysik, die Tieftemperaturphysik
oder die Kristallphysik.
Weitere Hinweise dazu erhält man, wenn man sich die Struktur der
physikalischen Institute oder Fakultäten an Hochschulen ansieht.
Dazu kann das Internet genutzt werden.
Ebenfalls möglich ist eine Einteilung in experimentelle
Physik (Experimentalphysik) und theoretische
Physik. In der Schulphysik nutzt man weitere Einteilungen, z.B. mit
solchen Bezeichnungen wie "Interferenzphänomene", "Kerne
und Teilchen", "Mikroobjekte", "Struktur der Materie"
oder "Nichtlineare Physik"
Alle diese Einteilungen werden nach Zweckmäßigkeit vorgenommen. Eine allgemein verbindliche Einteilung der Physik gibt es nicht.
Zusammenfassung
In einem Nachschlagewerk für Physik (Brockhaus-Verlag, Leipzig 1989)
heißt es zusammenfassend:
"Die Physik ist die Wissenschaft von den Eigenschaften
und den Zustandsformen, der Struktur und der Bewegung der unbelebten Materie,
den diese Bewegung hervorrufenden Kräften oder Wechselwirkungen und
den hierbei konstant bleibenden Größen. Die Physik ist eine
grundlegende Naturwissenschaft, die auf der Basis quantitativer, durch
Messungen präzisierter Erfahrungen zur Aufdeckung, zur mathematischen
Formulierung und praktisch-technischen Anwendung der Naturgesetze führt.
Vom behandelten Gebiet her bestehen keine scharfen Grenzen, einige historisch
entstandene Unterteilungen des Gesamtkomplexes Naturwissenschaft sind
durch den Fortschritt der Wissenschaft verwischt worden ..."