Anwenden physikalischer Gesetze

Ein wichtiges Ziel der Physik ist das Anwenden physikalischer Gesetze zum Lösen von Aufgaben und Problemen, z. B. zum Erklären und Voraussagen von Erscheinungen, zum Berechnen von Größen oder zum Konstruieren technischen Geräte. Dabei gibt es immer wieder bestimmte Schritte, die durchlaufen werden müssen.

Analyse der gegebenen Aufgabe und Vereinfachung des Sachverhalts aus der Sicht der Physik.
Erkennen und Benennen der gesetzmäßig wirkenden Zusammenhänge und der Bedingungen im Sachverhalt, Nennen der betreffenden Gesetze.
Anwenden der Gesetze zum Lösen von Aufgaben, d. h. zum Erklären oder Voraussagen, zum Berechnen einer Größe. Dazu kann man verschiedene Mittel und Verfahren nutzen.

Ein Beispiel aus der Physik

Nachfolgend sind die genannten Schritte genauer charakterisiert und an einem Beispiel aus der Physik dargestellt. Zu lösen ist die folgende Aufgabe:

Eine Person mit einer Masse von 63 kg springt im Schwimmbad von einem 5 m hohem Sprungturm ins Wasser (Bild 1). Welche Geschwindigkeit hat sie beim Auftreffen auf die Wasseroberfläche?

Wasserspringer: Welche Geschwindigkeit erreicht er?

Anwenden physikalischer Gesetze - Wasserspringer

G. Lattke, Berlin

Allgemeine Schritte	Beispiel
1. Es geht zunächst darum, den Sachverhalt genauer zu erfassen. Dazu hilft häufig eine einfache Skizze. Darüber hinaus werden die gesuchten und gegebenen Größen und Fakten übersichtlich zusammengestellt.	Das Herunterspringen kann näherungsweise als freier Fall eines Körpers angesehen werden. Dabei wird die ursprünglich vorhandene potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt (Bild 2). Gesucht: v $\begin{array}{l} Gegeben: m = 63 kg \\ h = 5 m \\ g = 9,81 \frac{m}{s^{2}} \end{array}$
2. Wesentliche Seiten werden mit Hilfe physikalischer Gesetze beschrieben. Dazu muss man die gesetzmäßig wirkenden Zusammenhänge und die Bedingungen für das Wirken bekannter physikalischer Gesetze im Sachverhalt erkennen.	Bei dem gegebenen Sachverhalt kann man unterschiedlich herangehen. 1. Möglichkeit: Aus energetischer Sicht erfolgt unter der Bedingung, dass man die Energieumwandlung in andere Energieformen während des Falles vernachlässigen kann, eine Umwandlung von potenzieller in kinetische Energie. Unter der genannten Bedingung gilt der Energieerhaltungssatz der Mechanik. 2. Möglichkeit: Der Sprung des Mädchens kann näherungsweise als freier Fall angesehen werden, da der Luftwiderstand bei einer solchen Fallhöhe zu vernachlässigen ist. Damit gelten das Weg-Zeit-Gesetz und das Geschwindigkeit-Zeit-Gesetz des freien Falls.
3. Die genannten Gesetze werden zum Berechnen der gesuchten Größe angewendet. Dabei gibt es mitunter völlig unterschiedliche Lösungsmöglichkeiten.	1. Möglichkeit: Der Energieerhaltungssatz der Mechanik gilt in folgender Form: $\begin{array}{l} E_{p o t} = E_{k i n} \\ m \cdot g \cdot h = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^{2} \\ v^{2} = 2 g \cdot h \\ v = \sqrt{2 g \cdot h} \\ v = \sqrt{2 \cdot 9,81 \frac{m}{s^{2}} \cdot 5 m} \\ v = 9,9 \frac{m}{s} = 36 \frac{km}{h} \end{array}$ 2. Möglichkeit: Für den freien Fall gilt: $\begin{array}{l} v = g \cdot t (1) \\ Die Zeit t erhält man aus dem \\ Weg-Zeit-Gesetz s = \frac{g}{2} \cdot t^{2} durch Umstellen: \\ t^{2} = \frac{2 s}{g} (2) \\ Nun werden die Gleichungen (1) und (2) \\ miteinander verknüpft . \\ Durch Quadrieren von Gleichung (1) \\ erhält man: \\ v^{2} = g^{2} \cdot t^{2} \\ Durch Einsetzen von t^{2} aus Gleichung 2 \\ erhält man: \\ v^{2} = g^{2} \cdot \frac{2 s}{g} \\ v^{2} = 2 g \cdot s \\ v = \sqrt{2 g \cdot s} \\ Durch Einsetzen erhält man das \\ gleiche Ergebnis wie bei der \\ ersten Möglichkeit . \end{array}$
Das Ergebnis wird mit Blick auf die Aufgabenstellung formuliert.	Ergebnis: Wenn eine Person von einem 5-mTurm herunterspringt, trifft sie bei Vernachlässigung der Reibung mit einer Geschwindigkeit von 36 km/h auf die Wasseroberfläche auf.

Darstellung des freien Falles in vereinfachter Form

Jede Berechnung kann man als eine Voraussage ansehen. Das Ergebnis hat den Wahrheitswert wahr, wenn alle Bedingungen beachtet und insbesondere die Gültigkeitsbedingungen der betreffenden Gesetze erfüllt sind. Hinweise zum Voraussagen und zum Erklären findet man unter diesen Stichwörtern.

Die Anwendung physikalischer Gesetze zum Konstruieren technischer Geräte ist zumeist ein recht komplexer Vorgang, weil es bei technischen Geräten nicht nur darum geht, dass sie auf der Grundlage physikalischer Gesetze überhaupt funktionieren, sondern auch andere Aspekte zu berücksichtigen sind, z.B. die der Sicherheit, der Ästhetik, der Gebrauchseigenschaften oder der Ökologie.
So geht es z.B. bei der Konstruktion eines Mikrowellenherdes nicht nur darum, ein geeignetes Magnetron als Strahlungsquelle zur Verfügung zu haben. Es muss auch gesichert sein, dass die Strahlung im Innenraum möglichst gut verteilt wird, die Streustrahlung minimiert ist, die äußere Form und Farbgebung dem ästhetischen Empfinden der Kunden entspricht, der Energieverbrauch möglichst niedrig ist, das Gerät für alle gewünschten Anwendungen optimiert ist. Erforderlich ist dazu in der Regel im komplexes Zusammenwirken von Fachleuten unterschiedlicher Disziplinen, von denen die Physik nur eine ist.

Stand: 2010
Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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