Gesetze

Das Wesen physikalischer Gesetze

In Erscheinungen der Natur kann man durch Beobachtungen oder Experimente Zusammenhänge zwischen einzelnen Eigenschaften von Körpern, Stoffen oder Vorgängen erkennen.

Beispiel: Für einen Kupferdraht kann man durch Messungen feststellen, dass die elektrische Stromstärke im Draht umso größer ist, je größer die anliegende Spannung ist. Genauere Untersuchungen führen zu dem Ergebnis, dass bei konstanter Temperatur die Stromstärke I der Spannung U proportional ist.

Wenn sich Zusammenhänge in der Natur unter bestimmten Bedingungen immer wieder einstellen und für eine ganze Gruppe von Objekten gelten, dann spricht man von gesetzmäßigen Zusammenhängen, Gesetzmäßigkeiten oder Gesetzen.

Beispiel: Der Zusammenhang zwischen der Spannung U und der Stromstärke I lässt sich für alle metallischen Leiter nachweisen, wenn die Temperatur des Leiters konstant ist.

Allgemein gilt:

Gesetze in der Physik sind allgemeine und wesentliche Zusammenhänge in der Natur, die unter bestimmten Bedingungen stets wirken. Sie bestehen in der Regel aus Bedingungs- und Gesetzesaussagen.

Die Bedingungen, unter denen ein Gesetz gilt, nennt man auch Gültigkeitsbedingungen.

Das Gesetz lässt sich für den oben genannten Zusammenhang zwischen Spannung und Stromstärke folgendermaßen formulieren:

Für metallische Leiter gilt unter der Bedingung einer konstanten Temperatur:

$U~I$

Dieses physikalische Gesetz gilt für die Gruppe aller metallischen Leiter unter der Bedingung einer konstanten Temperatur. Die Gesetzesaussage ist $U~I$. Die Bedingungsaussagen (Gültigkeitsbedingungen) sind "metallische Leiter" und "konstante Temperatur".

Gesetze sind allerdings nicht immer vollständig durch Bedingungs- und Gesetzesaussagen beschrieben. Manchmal muss man die Bedingungsaussagen aus dem Zusammenhang erschließen.

Beispiel: Für den Widerstand eines metallischen Leiters gilt die Gleichung:

$R=\rho \cdot \frac{l}{A}$

Die Stoffkonstante $\rho$, der spezifische elektrische Widerstand, ist für die meisten Metalle temperaturabhängig. In Tafelwerken wird in der Regel der Wert dieser Konstanten für 20 °C angegeben. Nutzt man diesen Wert, dann bezieht sich der berechnete elektrische Widerstand auf eine Temperatur von 20 °C.

Qualitative und quantitative Gesetzesaussagen

Qualitative Gesetze: Physikalische Gesetze können unterschiedlich genau erkannt und in verschiedener Weise formuliert werden. So gibt es Gesetze, die nur beschreiben, unter welchen Bedingungen eine bestimmte Erscheinung in der Natur auftritt. Ein Beispiel für ein solches Gesetz, das nur eine qualitative Gesetzesaussage enthält, ist das Induktionsgesetz in seiner elementaren Form. Es wird in Worten formuliert und lautet:
In einer Spule wird eine Spannung induziert, solange sich das von der Spule umfasste Magnetfeld ändert.

Halbquantitative Gesetze: Es gibt auch Gesetze, die einen Zusammenhang zwischen Eigenschaften bzw. Größen in der Tendenz beschreiben. Sie enthalten eine halbquantitative Gesetzesaussage und werden häufig in der Form "je ... desto" formuliert. Ein Beispiel ist die Volumenänderung von Körpern bei Temperaturänderung:
Für alle Körper gilt unter der Bedingung, dass sie sich ausdehnen können: Je größer die Temperaturänderung eines Körpers ist, umso größer ist auch seine Volumenänderung.

Quantitative Gesetze: Bei vielen Gesetzen in der Physik kann der Zusammenhang zwischen Eigenschaften bzw. Größen mathematisch exakt beschrieben werden. Sie enthalten eine quantitative Gesetzesaussage. Ein Beispiel dafür ist das Weg-Zeit-Gesetz für gleichförmige Bewegungen:
Unter der Bedingung, dass sich ein Körper gleichförmig bewegt, gilt:

$\begin{array}{l}s=v\cdot t\\ \end{array}$

Ein Gesetz - unterschiedliche Formulierungen

Eine quantitative Gesetzesaussage kann in Form einer Gleichung, aber auch in Worten, als Proportionalität oder in einem Diagramm dargestellt werden. Die unterschiedlichen Formulierungsmöglichkeiten sind nachfolgend am Beispiel des Weg-Zeit-Gesetzes der gleichförmigen Bewegung dargestellt.

mit Worten:
Für eine gleichförmige Bewegung wächst der zurückgelegte Weg in gleichem Maße wie die Zeit.

als Proportionalität:

s ~ t

als Gleichung:

$s=v\cdot t$

als Diagramm:

Dynamische und statistische Gesetze

In der Physik kann man zwischen dynamischen und statistischen Gesetzen unterscheiden.

Dynamische Gesetze geben an, wie sich ein Objekt unter gegebenen Bedingungen notwendig verhält. Ein Beispiel für ein dynamisches Gesetz ist das newtonsche Grundgesetz:

$F=m\cdot a$

Kennt man die Kraft und die Masse eines Körpers, so kann man eindeutig sagen, welche Beschleunigung ihm erteilt wird. Die meisten in der Schule behandelten Gesetze sind solche dynamischen Gesetze.

Daneben gibt es auch Gesetze, die das Verhalten einer großen Anzahl von Teilchen beschreiben. Ein Beispiel dafür ist das Zerfallsgesetz des radioaktiven Zerfalls von Atomkernen. Dieses Zerfallsgesetz beschreibt eindeutig, wie sich die Gesamtheit der Teilchen verhält. So kann man eindeutig voraussagen, dass nach einer Halbwertszeit genau die Hälfte der Atomkerne eines radioaktiven Stoffs zerfallen sind. Keine Aussage ist aber darüber möglich, ob das einen bestimmten Atomkern betrifft oder nicht. Das Gesetz trägt statistischen Charakter. Man bezeichnet deshalb solche Gesetze, die Aussagen über eine große Teilchenzahl machen, als statistische Gesetze.

Erfahrungssätze und Erhaltungssätze

Manche physikalischen Gesetze haben sich im Laufe der Entwicklung aus den Erfahrungen der Menschen über Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen in der Natur ergeben. Es sind Gesetze, die nicht aus anderen Gesetzen hergeleitet und nur aus der Erfahrung heraus bestätigt werden.
Beispiele für solche Erfahrungssätze sind das Wechselwirkungsgesetz, das Trägheitsgesetz oder die Hauptsätze der Wärmelehre.

Manche physikalische Größen haben in einem abgeschlossenen System einen bestimmten, konstanten Wert. Es sind Erhaltungsgrößen. Die Konstanz einer physikalischen Größe in einem abgeschlossenen System wird auch in Form von Gesetzen formuliert, die man als Erhaltungssätze oder als Gesetze von der Erhaltung ... bezeichnet.
Beispiele dafür sind der Energieerhaltungssatz, das Gesetz von der Erhaltung der Ladung oder das Gesetz von der Erhaltung der Masse.

Gesetze und ihre Bedeutung

Physikalische Gesetze existieren unabhängig vom Willen und von den Wünschen der Menschen. Wir können Gesetze zwar erkennen, können sie aber nicht verändern und schon gar nicht "überlisten". Sie wirken unter den gegebenen Bedingungen, ob wir es wollen oder nicht.

Der Mensch kann aber Gesetze zu seinem Vorteil nutzen. So kann man das Hebelgesetz z. B. nutzen, um mit einem Flaschenöffner eine Flasche zu öffnen oder um mit einem Schraubenschlüssel eine Mutter anzuziehen. Dazu muss man das Gesetz noch nicht einmal kennen.

Physikalische Gesetze kann man auch nutzen, um technische Geräte zu bauen. So wird z. B. das Induktionsgesetz in Generatoren genutzt, um elektrische Energie zu gewinnen. Es wird auch genutzt, um Induktionsherde für den Haushalt herzustellen, bei denen sich die Stellfläche kaum noch erwärmt.

Menschen können allerdings auch zu Schaden kommen, wenn sie das Wirken physikalischer Gesetze nicht beachten. Bei Unfällen mit Fahrzeugen kann das Wirken des Trägheitsgesetzes zu schwersten Schäden führen, wenn sich die Insassen nicht mit Sicherheitsgurten anschnallen oder wenn schwere Gegenstände auf der hinteren Ablage liegen. Erhebliche Probleme kann es auch geben, wenn Fahrzeugführer nicht beachten, dass bei nassen Straßen die Reibungskräfte viel geringer sind als bei trockenen Straßen.

Zum Teil treten auch Schäden für den Menschen und seine Umwelt deshalb auf, weil Gesetze oder ihre Gültigkeitsbedingungen noch nicht genau bekannt sind. Deshalb ist es ein wesentliches Ziel der Physik, Gesetze und Zusammenhänge immer genauer zu erkennen und zum Wohl des Menschen und seiner Umwelt zu nutzen.

Mithilfe von Gesetzen ist es möglich, Erscheinungen in Natur und Technik zu erklären und Voraussagen zu treffen, z.B. dazu, welche Beschleunigung ein Auto erreicht, wenn eine bestimmte Antriebskraft wirkt.