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Physik

Die Lehre der unbelebten Materie


Inhaltsverzeichnis zu JMB's Physik-Seite


Einstimmung  und Übersicht

Physik (wörtl.: Naturlehre bzw. -forschung) untersucht die grundlegenden Phänomene (d.h. mit den Sinnen wahrgenommene Ereignisse, z.B. Komet, Blitz, Luftspiegelung etc.) in der Natur. Dabei sucht man einfache und dennoch gültige Beschreibungen (Modelle) und leitet hieraus Gesetzmäßigkeiten ab.
Die Physik ist die fundamentalste der Naturwissenschaften (dies bedeutet, dass z.B. die Biologie auf die Physik zurückgreifen muss – die Physik andererseits mit anderen Bereichen zusammenarbeitet) und ist zugleich Basis für Ingenieurswissenschaften, Informatik und Medizin.
Zudem sind Mathematik und Physik eng verbunden, so dass vielfach Mathematik durch die Physik erst Gestalt bekommt.

[Grafik zur Einteilung der Physik

Die experimentelle Physik erstellt aus Wahrnehmungen (Phänomenen) Hypothesen (Annahmen, Fragestellungen), die über Versuche (d.h. Experimente) bestätigt (verifiziert; Vorsicht: nicht bewiesen) oder verworfen (falsifiziert) werden.
Zu einem Versuch gehört immer ein Protokoll, das das Experiment so ausführlich beschreibt, dass andere nur mit dieser Anleitung den Versuch wiederholen können, sowie die Ergebnisse (qualitativ [Merkmale beschreibend] und quantitativ [messend]) festhält. Alle Deutungen, Folgerungen und neuen Fragestellungen, die sich ggf. unmittelbar aus dem Experiment ergeben, müssen von den Ergebnissen deutlich abgegrenzt werden.
Physikalische Größen werden bei Experimenten messend (d.h. quantitativ) erfasst, wobei physikalische Größen immer aus Zahlenwert und Einheit {dimensionslose Größen haben als Einheit 1 oder eine Hilfseinheit wie z.B. ° bei einem 2-dim. Winkel}, ggf. zusätzlich aus einer Richtungsinformation bestehen und in einer mathematischen Beziehung (d.h. mit =, >, ≥, <, ≤, ∝ | ∼) durch ein Formelzeichen dargestellt werden (z.B. Strecke: s mit Einheit Meter: m).

SI-Einheiten  und ihre neue Festlegung

Alle Einheiten lassen sich mit den nachfolgenden 7 Basiseinheiten ausdrücken, die in der Wissenschaft verpflichtend sind.
Die ersten drei gehören zur Mechanik, die 4. zum Elektromagnetismus, die 5. zur Thermodynamik, die 6. zur Chemie, die 7. zur Photometrie.
Der Beschluss der neu definierten SI-Einheiten wurde bei der 26. CGPM [Generalkonferenz für Maß und Gewicht] am 16. Nov. 2018 in Versailles gefasst. Am 20. Mai 2019, dem Weltmetrologietag, trat es dann in Kraft. Seither werden die 7 Basiseinheiten über je eine Naturkonstante definiert und sind in allen gut ausgestatteten Laboren direkt eichbar (vgl. Informationen der Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Braunschweig & Berlin): Das neue System der Einheiten; bzw. des BIPM: On the revision of the SI).
Die aus den Basiseinheiten abgeleiteten SI-Einheiten sind im unteren Tabellenteil aufgeführt.

Die SI-Basiseinheiten
Name der physi-
kalischen Größe
Formel-
zeichen
Einheiten-
name
Abkürzung Naturkonstante Formel-
zeichen
Festgelegter
Wert
Länge | Strecke l | s Meter m Vakuum-Licht-
geschwindigkeit
c0 2,99792458 · 108 m/s
   {1 Å = 10-10m ;  1 pc ≅ 3,086 · 1016 m}
Masse m Kilogramm kg Plancksches
Wirkungsquantum
h 6,626 070 15 · 10-34 J · s
  Neu 20.05.2019  
Zeit t Sekunde s Feinstruktur-
konstante
Δν(133Cs)hfs 9 192 631 770 Hz
   {1 d =24 h = 1440 min = 86 400 s}
Elektrische
Stromstärke
I Ampere A Elementarladung e 1,602 176 634 · 10-19 C
  Neu 20.05.2019  
Thermodynamische Temperatur T Kelvin K Boltzmann-
Konstante
k 1,380 649 · 10-23 J/K
  Neu 20.05.2019  
Stoffmenge n Mol mol Avogadro-
Konstante
NA 6,022 140 76 · 1023 1/mol
  Neu 20.05.2019  
Lichtstärke IV Candela cd Lichtausbeute
(monochromatisch)
Kcd 683 lm/W bei 540 · 1012 Hz
Abgeleitete SI-Einheiten
Frequenz ν Hertz Hz  = 1/s
Aktivität | radioaktive Kernzerfälle pro Sekunde 𝒜 Becquerel Bq  = 1/s    {1 Ci ≈ 3,7 · 1010 Bq}
Geschwindigkeit v m / s    {1 m / s = 3,6 km / h ≅ 2,237 mph}
Beschleunigung a m / s2    {g ≅ 9,81 m / s2Erdbeschleunigung}
Kraft F Newton N  = kg · m / s2   [F = m · aGrundgleichung der Mechanik]
Druck p Pascal Pa  = kg / (m · s2) = N/m2   [p = F / A]
Energie | Arbeit E | W Joule J  = kg · m2 / s2 = N · m   [E | W = F · s;  E0 = m · c02]
Leistung P Watt W  = kg · m2 / s3 = J / s = V · A   [P = E / t = U · I]
Elektrische Ladung Q Coulomb C  = A · s
Elektrische Spannung U Volt V  = kg · m2 / (s3 · A) = W / A
Elektrischer Widerstand R Ohm Ω  = kg · m2 / (s3 · A2) = V / A   [R = U / IOhmsches Gesetz]
Elektrischer Leitwert G Siemens S  = s3 · A2 / (kg · m2) = A / V = 1/Ω
Elektrische Kapazität C Farad F  = A2 · s4 / (kg · m2) = C / V   [C = Q / U]
Induktivität | Selbstinduktion L Henry H  = kg · m2 / (s2 · A2) = V · s / A   [L = N · ϕ / I]
Magnetfeld | mag. Flussdichte B Tesla T  = kg / (s2 · A) = V · s / m2 = N / (A · m)   [B = F / (I · l)]
Magnetischer Fluss ϕ Weber Wb  = kg · m2 / (s2 · A) = V · s = H · A = T · m2   [ϕ = B · A]
 
Vorsilben bei Einheiten  (dezimale Teile oder Vielfache)
Zehnerpotenz Vorsilbe Symbol Zehnerpotenz Vorsilbe Symbol
10-1 Dezi d 10 Deka da
10-2 Zenti c 102 Hekto h
10-3 Milli m 103 Kilo k
10-6 Mikro μ 106 Mega M
10-9 Nano n 109 Giga G
10-12 Piko p 1012 Tera T
10-15 Femto f 1015 Peta P
10-18 Atto a 1018 Exa E
10-21 Zepto z 1021 Zetta Z
10-24 Yocto y 1024 Yotta Y

Exponenten sind übrigens auch deshalb zu bevorzugen, weil eine Billion nicht eindeutig ist:
Im GB-Englischen ist billion 1012, im amerikanischen Englisch ist billion 109, da Amerikaner keine Milliarde, Billiarde, Trilliarde, Quadrilliarde, ... verwenden! Dieser Unterschied ist bei englischen Quellen zu beachten!

 
Das griechische Alphabet
Α α alpha Ι ι iota Ρ ρ rho
Β β beta Κ κ kappa Σ σ sigma
Γ γ gamma Λ λ lambda Τ τ tau
Δ δ delta Μ μ Υ ϒ ypsilon
Ε ε epsilon Ν ν Φ ϕ, φ phi
Ζ ζ zeta Ξ ξ xi Χ χ chi
Η η eta Ο ο omikron Ψ ψ psi
Θ θ, ϑ theta Π π pi Ω ω omega

Wissenschaftliche Notation

In allen Naturwissenschaften sollten Zahlenangaben (vgl. obige Angaben bei SI‑Basiseinheiten, Tabellen-Spalte Festgelegter Wert) immer in einer speziellen Schreibweise erfolgen:
  1. Eine Vorkommastelle (1-9);
  2. Sinnvolle Anzahl Nachkommastellen;
  3. Bei Messwerten der Messfehler in Klammern (zumeist 2 Stellen; direkt neben den Stellen, auf die dieser sich bezieht);
  4. Basis 10;
  5. Ganzzahliger Exponent (ggf. negativ);
  6. Einheit(en) in SI‑Basiseinheiten [SI: Système international d’unités] bzw. daraus abgeleitete Einheit(en) – bei der wissenschaftlichen Schreibweise werden keine Vorsilben (s.o.) der Einheiten verwendet;
  7. Um Zahlenkolonnen besser lesbar zu machen wird empfohlen, immer alle drei Ziffern ausgehend vom Komma einen geringen Abstand als optische Trennung einzufügen – Trenner durch . im Deutschen bzw. , im Englischen sollten nie verwendet werden!

Empfehlungen  für Schüler


Weiterführende Literatur


Link zum 📙Professionellen Software‑Einsatz (z.B. GNU/Linux oder TEX/LATEX) in Wissenschaft und im technischen Bereich.
Link zum 🎓Hintergrund des Autors.
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Erste Fassung:24. Juni 2017
Letzte Änderung: 01. Januar 2020