KVHS Northeim 2025 : Astronomie - eine Reise durch Raum und Zeit

Physik

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1. Inhalte der Physik

Die Physik beschäftigt sich mit den fundamentalen Gesetzen der Natur und beschreibt die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Materie und Energie.
Die Physik verbindet logisches Denken, Mathematik und Experimente, um die Natur auf einer fundamentalen Ebene zu verstehen.

Während bewiesene mathematische Sätze überall und jeder Zeit gültig sind, findet in der Physik
die Verifikation einer Hypothese durch ein korrespondierendes Experiment statt.
Damit findet eine Aussagen-Bestätigung zum hier und jetzt statt: diese gilt nicht für alle Zeiten!

Physikalische Aussage:

Universelle Gültigkeit des Raumes : überall im Universum gültig da experimentell geprüft und die Physik überall die Gleiche!
Keine universelle Gültigkeit der Zeit: zu jeder Zeit muss die Gültigkeit verifiziert werden!

A) Klassische Physik

Mechanik (Bewegung und Kräfte)
- Kinematik: Bewegung ohne Berücksichtigung von Kräften
  (Zeit, Länge, Dimension als physikalische Grössen)
- Dynamik: Newtonsche Gesetze, Trägheit, Impuls
- Statik: Gleichgewicht von Kräften
Thermodynamik (Wärme und Energie)
- Temperatur, Wärmeübertragung
- Hauptsätze der Thermodynamik
- Entropie und Energieumwandlungen
Elektromagnetismus (Elektrische und magnetische Felder)
- Elektrische Ladung, Spannung, Strom
- Magnetische Felder, Induktion, Maxwell-Gleichungen
- Elektromagnetische Wellen (Licht, Radiowellen)
Optik (Licht und Wellen)
- Reflexion, Brechung, Linsen
- Interferenz, Beugung, Polarisation
- Quantenoptik
Schwingungen und Wellen
- Mechanische Wellen (z. B. Schall)
- Elektromagnetische Wellen
- Resonanzphänomene

B) Moderne Physik

Relativitätstheorie (Raum und Zeit)
- Spezielle Relativitätstheorie: Zeitdilatation, Längenkontraktion
- Allgemeine Relativitätstheorie: Gravitation als Krümmung der Raumzeit
Quantenmechanik (Mikrowelt der Atome)
- Wellen-Teilchen-Dualismus
- Heisenbergsche Unschärferelation
- Schrödinger-Gleichung
Kern- und Teilchenphysik (Elementarteilchen)
- Aufbau der Atome und Kernreaktionen
- Standardmodell der Teilchenphysik
- Antimaterie, Neutrinos, Higgs-Teilchen
Festkörperphysik (Eigenschaften von Materialien)
- Halbleiter, Supraleitung
- Kristallstrukturen, Quantenmaterialien
Astrophysik und Kosmologie (Universum)
- Sterne, Galaxien, Schwarze Lächer
- Urknalltheorie, Expansion des Universums
- Dunkle Materie und dunkle Energie

2. Arbeitsweise der Physik

Die Physik kombiniert theoretische Überlegungen mit experimentellen Methoden, um Naturgesetze zu formulieren und zu überprüfen.

A) Theoretische Physik

Mathematische Modellierung:
- Naturphänomene werden durch Gleichungen und Theorien beschrieben (z. B. Newtons Mechanik, Maxwells Gleichungen).
Ableitung von Gesetzen:
- Physikalische Prinzipien werden aus logischen Überlegungen und Beobachtungen formuliert.
Vorhersagen und Simulationen:
- Computermodelle berechnen komplexe Systeme (z. B. Klimamodelle, Teilchenkollisionen).

B) Experimentelle Physik

Beobachtung und Messung:
- Präzise Messgeräte erfassen physikalische Grössen (z. B. Teleskope, Teilchenbeschleuniger).
Experimentelle Bestätigung:
- Theorien werden durch reproduzierbare Experimente getestet.
Technologische Anwendungen:
- Entwicklung neuer Technologien basierend auf physikalischen Prinzipien (z. B. Laser, MRT, Satelliten).

C) Grundprinzipien der Physik

Kausalität: Jeder Effekt hat eine Ursache.
Reproduzierbarkeit: Experimente müssen überall unter gleichen Bedingungen zum gleichen Ergebnis führen.
Universalität: Naturgesetze gelten überall im Universum.
Widerlegbarkeit: Theorien müssen durch Experimente überprüfbar und potenziell widerlegbar sein.

3. Bedeutung der Physik

Grundlage der Naturwissenschaften: Physik bildet die Basis für Chemie, Biologie und Ingenieurwissenschaften.
Technologische Anwendungen: Von Elektronik bis Raumfahrt basiert moderne Technik auf physikalischen Erkenntnissen.
Verständnis des Universums: Die Physik hilft uns, die grundlegenden Strukturen der Natur zu erfassen - von Quanten bis zu Galaxien.