Physik
Die Physik ist die Naturwissenschaft, die sich mit dem grundlegenden Aufbau von Materie, Energie und Feldern beschäftigt und wie diese miteinander zusammenhängen. Dabei hat sie seit dem 16.Jh. mächtige Theorien hervorgebracht, auf der die gesamte Technik unserer westlichen Konsum-Gesellschaft beruht.
- WikiDiki[>] – ein sehr schöner Übersichtsartikel.
Die Physik ist nicht die grundlegende Wissenschaft, sie gehört aber zu den achtzehn reinen Wissenschaften nach der IS-Systematik der Wissenschaften. Unter den Naturwissenschaften ist sie jedoch grundlegend, da sie auf keiner anderen Naturwissenschaft basiert, jedoch auf der Logik, von der das analytische Prinzip kommt und der Mathematik, von der die Berechenbarkeit kommt.
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Links zur Physik
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Einordnung der Physik
Der Untersuchungsgegenstand der Physik ist beschränkt auf sog. einfache Gegenstände. Damit grenzt sie sich von der Biologie ab, die Lebewesen untersucht. Zu den hierzu einfachen Gegenständen zählt z.B. ein Stein, ein Stromkreis, ein Sternenhaufen, aber auch Materie und Energie an sich.
Das Untersuchungsziel der Physik ist direkt die Natur der einfachen Gegenstände. Damit grenzt sie sich einerseits von der Chemie ab, die sich mit der Veränderung der einfachen Gegenstände beschäftigt und andererseits von der Quantenphysik, die über Wahrscheinlichkeitszustände das Verhalten von Materie und Energie auf einer tieferen Ebene untersucht.
Der Untersuchungsort der Physik ist die Außenperspektive der Naturwissenschaften. Damit ist sie die Schwesterwissenschaft der Logik bei den Geisteswissenschaften.
Grundlegende Begriffe und Ergebnisse werden aus folgenden Disziplinen vorausgesetzt:
- Logik – die Lehre von Prädikaten, Aussagen und Schlüssen.
- Mathematik – die Lehre von der Formalisierung, der Veränderung von Aussagen.
Die Begriffe und Ergebnisse der Physik wiederum werden vorausgesetzt für die folgenden Disziplinen:
- Chemie – die Lehre von der Synthese, der Veränderung von Stoffen.
- Quantenphysik – die Lehre vom Verhalten von Materie und Energie.
- Biologie – die Lehre von den Organismen, den Lebewesen in Außensicht.
Mathematische Physik – dies ist Mathematik, die auf physikalische Modelle angewendet wird, also angewandte Mathematik.
Molekülphysik – dies ist Physik, die auf Moleküle angewendet wird, also angewandte Physik und eine Grundlage für die Chemie.
Teilgebiete der Physik
Der Theorie- und Wissensstand der Physik ist riesig. Die gröbste Einteilung geschieht nicht nach Themen, sondern nach Methodik. In der Theoretischen Physik werden Hypothesen und Formeln aufgestellt, in der Praktischen Physik (Experimentalphysik) wird gemessen und beobachtet und die Angewandte Physik umfasst die angewandten Disziplinen der Physik.
Theoretische Physik
Hier werden die Hypothesen aufgestellt und Voraussagen logisch-mathematisch abgeleitet, das ist die klassische analytische empirische wissenschaftliche Methode.
Praktische Physik
Beobachtung und Experiment sind die empirische Grundlage der Physik. Da Experimente mittlerweile extrem kompliziert werden können, z.B. Teilchenbeschleuniger, gibt es einen eigenen Bereich Experimentalphysik.
Angewandte Physik
Molekülphysik – dies ist angewandte Physik und eine Grundlage der Chemie. Da Moleküle kein Phänomen unserer Lebenswelt sind, ist es aber keine Ingenieurswissenschaft.
Theorien der Physik
Es gibt vier große Theorien der Physik, die alle heute bekannten Aspekte der einfachen Gegenstände der Außenwelt behandeln:
- Klassische Mechanik – Körper mit Masse, sie werden beschleunigt durch Kräfte.
- Elektrodynamik – bewegte elektrische Ladungen und elektromagnetische Wellen.
- Thermodynamik – Energie und Arbeit.
- Relativitätstheorie – große Massen erzeugen Gravitation durch dir Krümmung von Raum und Zeit.
Klassische Mechanik
Die Klassische Mechanik beschäftigt sich mit der Bewegung von Körpern. Diese Theorie wurde im 17. Jh. von Isaac Newton begonnen und im 19.Jh. fertig ausgearbeitet. Ihre Ergebnisse gelten nicht im ganz Großen, wo die Relativitätstheorie greift und nicht im ganz Kleinen, was in der Quantenphysik untersucht wird.
Aerodynamik, Statik und Biophysik sind angewandte physikalische Disziplinen, die auf der Klassischen Mechanik basieren.
Es gibt historisch drei Stufen der Formulierung der Klassischen Mechanik:
- Newtonsche Gesetze – so lernt man das in der Schule: Kräfte beschleunigen Massen.
- Lagrange-Formalismus –
- Hamiltonsche Mechanik –
1. newtonsches Gesetz - Trägheitsprinzip
von Galileo Galilei 1638 formuliert. Ein Körper verharrt, solange keine Kräfte einwirken. Seine Bewegung bleibt konstant.
2. newtonsches Gesetz - Aktionsprinzip
Die Änderung einer Bewegung ist proportional zu einer Kraft. Die Kraft ist die Ableitung des Impulses.
1750 formulierte Leonhard Euler F = m°a (Grundgleichung der Mechanik).
3. newtonsches Gesetz - Wechselwirkungsprinzip
Actio gleich Reactio: Zu jeder Kraft, die ein Körper A auf einen Körper B ausübt, gibt es eine umgekehrte Kraft von B auf A. (Das gilt so im Anwendungsgebiet der Relativitätstheorie nicht mehr.)
Aus II und III folgt der Impulserhaltungssatz.
Bewegung - Kinematik - s, t, v, a
v = s / t –– a = v / t
s(t) = 1/2 a t^2 + v0 t –– v = a t + v0
Kraft - jetzt mit Masse - a, m, F, p
F = m a –– Gravitation: F = (m1 m2 / r^2) g
F1 l1 = F2 l2
p = m v –– p = G / A = m g / A = Dichte h g
Arbeit - s, F, W
W = F s
P = W / t
Energie - m, v
E = m g h
E = 1/2 m v^2
Elektrodynamik
Die Elektrodynamik beschäftigt sich mit bewegten elektrischen Ladungen, elektrischen und magnetischen Felder und elektromagnetischen Wellen. Diese Theorie war fertig ausgearbeitet im 19.Jh.
Theorie von Elektrizität und Magnetismus.
Thermodynamik
Die Thermodynamk oder Wärmelehre beschäftigt sich mit Energie und Arbeit. Hier gibt es keine einzelnen Körper.
Energieerhaltungssatz
Relativitätstheorie
Die Relativitätstheorie befasst sich mit der Struktur von Raum und Zeit sowie mit dem Wesen der Gravitation. Sie geht im Wesentlichen auf Albert Einstein zurück, der sie zwischen 1905 und 1916 entwickelte.
Spezielle Relativitätstheorie
Raum und Zeit aus der Sicht bewegter Beobachter.
Allgemeine Relativitätstheorie
Massen erzeugen Gravitation, als Krümmung von Raum und Zeit.
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