Die Physik - eine Naturwissenschaft

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.

Naturerscheinungen und Physik

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. 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. 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. 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 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 ...“