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Physik

Die Lehre der unbelebten Materie

Inhaltsverzeichnis zu JMB's Physik-Seite

Einstimmung und Übersicht
SI-Einheiten und ihre neue Festlegung
Vorsilben bei Einheiten
Das griechische Alphabet
Wissenschaftliche Notation
Empfehlungen für Schüler
Weiterführende Literatur
✇ 📋PDF-Downloads zur Physik
➥ 📙Professioneller Software‑Einsatz (z.B. GNU/Linux oder T_EX/L^AT_EX)
➥ 🎓Hintergrund des Autors

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 (

PFD-Info); bzw. des BIPM: On the revision of the SI).
Die aus den Basiseinheiten abgeleiteten SI‑Einheiten sind im unteren Tabellenteil aufgeführt (vgl. auch 📋PDF‑Downloads:

Einteilung der Physik, SI‑Einheiten, Notation von Messwerten).

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 ✯ Fest seit 1975 / 1983! ✯ {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	N_A	6,022 140 76 · 10²³ 1/mol ✯ Neu 20.05.2019 ✯
Lichtstärke	I_V	Candela	cd	Lichtausbeute (monochromatisch)	K_cd	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 / s²: Erdbeschleunigung}
Kraft	F	Newton	N	= kg · m / s² [F = m · a: Grundgleichung 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 / I: Ohmsches 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]

Einheitenabkürzungen werden in normaler (aufrechter / gerader) Schrift geschrieben (z.B. m: Meter), Formelzeichen (Abkürzungen der physikalischen Größen) in kusiver (schräger, italic) Schrift (z.B. m: Masse).
Einheitennamen, die von Personen abgeleitet sind, werden grundsätzlich groß geschrieben (z.B. V: Volt nach Alessandro Volta).
Nur die Basiseinheiten Sekunde und Mol hängen nur von einer Konstanten ab (s: Δν und mol: N_A), bei den anderen sind mehrere zu berücksichtigen (m: Δν ⊕ c₀, A: Δν ⊕ e, kg: Δν ⊕ c₀ ⊕ h, K: Δν ⊕ c₀ ⊕ h ⊕ k sowie cd: Δν ⊕ c₀ ⊕ h ⊕ K_cd).
Die Energie‑Einheit 'Joule' wird nach einer Empfehlung von Sir Charles Darwin und der British Standards Association mit langem u gesprochen.
Das angloamerikanische Maßsystem sorgt leider immer wieder für Verwirrung bis zu Sondenabstürzen bei internationalen Teams. Deren Einheiten lauten:
Zoll (inch, in.) — 1 " = 2,54 cm,
Fuß (foot, ft.) — 1 ' = 12" = 30,48 cm,
Schritt (yard, yd.) — 1 yd. = 3 ' = 0,9144 m,
Meile (mile, mi./m.) — 1 mi. = 1760 yd. = 1609,344 m;
Pfund (pound, lb./pd.) — 1 lb. = 453,592 37 g;
Fahrenheit (°F) — 0 °F = -17,78 °C = 255,37 K, ΔT = 1 K = 1 °C = 9/5 °F
[Gefrierpunkt des Wassers: 0°C = 32 °F = 273,15 K, Siedepunkt des Wassers: 100°C = 212 °F = 373,15 K, jeweils bei Normalluftdruck: 101 325 Pa = 1013,25 mbar = 760 Torr = 1 atm].

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
10^-27	Ronto	r	10²⁷	Ronna	R
10^-30	Quecto	q	10³⁰	Quetta	Q

✯ Neu 11/2022 ✯ Auf der Generalkonferenz für Maß und Gewicht hat das Internationale Büro für Maß und Gewicht die Vorsilben q, r, R und Q eingeführt [vgl. Résolutions de la Conférence générale des poids et mesures (27 e réunion), 15‑18 novembre 2022, Comité international des poids et mesures].
Vorsicht: 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	mü	Υ	ϒ	ypsilon
Ε	ε	epsilon	Ν	ν	nü	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:

Eine Vorkommastelle (1‑9);
Sinnvolle Anzahl Nachkommastellen;
Bei Messwerten der Messfehler in Klammern (zumeist 2 Stellen; direkt neben den Stellen, auf die dieser sich bezieht);
Basis 10;
Ganzzahliger Exponent (ggf. negativ);
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;
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

Physiksimulationen auf Phynet (z.B. Pendulum Lab, Masses & Springs, etc.; ➥Ferien‑Spaß für Spielkinder)
LEIFIphysik (Schulphysik; ➥KA‑Vorbereitung)
Particle Data Group (Allgemeine Grundlagen wie Einheiten, Naturkonstanten etc.; bessere Daten gibt es nicht !!!)
CERN (Teilchenphysik; Grundlagenforschung auf höchstem Niveau)
Tracker (Video‑Analyse und Modellierungs‑Werkzeug – z.B. in Verbindung mit einer High‑Speed‑Kamera einsetzbar; Change Log [FFmpeg: Download])
... siehe auch Empfehlungen zur 🧮Mathematik, zur 🔭Astronomie, zu 🐧Programmen sowie zum 💾Programmieren.

Weiterführende Literatur

Lehrbuch der Experimentalphysik: ❶ Mechanik – Akustik – Wärme | ❷ Elektromagnetismus | ❸ Optik | ❹ Bestandteile der Materie | ❺ Gase, Nanosysteme, Flüssigkeiten | ❻ Festkörper | ❼ Erde und Planeten | ❽ Sterne und Weltraum, 8 Bd., De Gruyter, 1998 | 2006 | 2004 | 2003 | 2005 | 2005 | 2001 | 2002, 1370 | 992 | 1453 | 973 | 1124 | 1015 | 742 | 654 S. (geb.);
➲ Ausführlich und korrekt, der Klassiker als Begleitung eines Physik‑Studiums [dem heutigen Zeitgeist, insb. Bachelor-/Master-Studiengängen, geschuldet, wurde das Werk 2012 durch eine kompakt – Fassung mit insgesamt 1755 Seiten ersetzt].
Physik Oberstufe, 2008, Cornelsen, ISBN 978‑3‑06‑013006‑1, 563 S.;
➲ Nach meiner Einschätzung das beste Physik‑Oberstufenbuch – auch bzgl. selbstständigem Lernen durch Schüler ❣
Das große Tafelwerk interaktiv 2.0 – Niedersachsen, A. Gramm, H. König, W. Kricke, et al., 2012 (4. Druck), Cornelsen, ISBN 978‑306‑0016‑150, 164 S.;
➲ Übersichtliche Formelsammlung zum Abitur
Abiturprüfung Niedersachsen – Physik gA/eA – 2017 (Original Prüfungsaufgaben mit Lösungen; inkl. CD‑ROM), Sep. 2016, Stark, ISBN 978‑3‑8490‑2754‑4, 230 S.;
➲ Interessant und zur direkten Abiturvorbereitung sehr zu empfehlen (möglichst Abiturjahrgang)
Faszinierende Physik: Ein bebilderter Streifzug vom Universum bis in die Welt der Elementarteilchen, Springer Spektrum, ISBN 978‑3642‑37811‑9, 304 S.;
➲ Super Bilder mit interessantem Text!
Siehe Liste der weiterführenden Literatur:
- zur 🧮Mathematik,
- zur 🔭Astronomie,
- zum 💾Programmieren und
- zur 👨‍🏫Lehre sowie
📋PDF-Downloads:
- zu Selbstlern‑Infos [rudimentäre Zusammenstellung] ✯ Neu 11/2022 ✯ ,
- zu Magnetismus und Magnetfeld [Zusammenfassung] ✯ Neu 02/2019 ✯ ,
- zur Mechanik – Dynamik: Kräfte [Zusammenfassung] ✯ Neu 05/2023 ✯ ,
- zur Berechnungen mit Formeln und Einheiten [Zusammenfassung] ✯ Neu 10/2023 ✯ ,
- Elektrischer Strom [Zusammenfassung] ✯ Neu 11/2022 ✯ ,
- zur Elektrostatik [Zusammenfassung] ✯ Angedacht ??/2024 ✯ ,
- zur Einteilung der Physik inkl. SI‑Einheiten und Notation von Messwerten [Zusammenfassung],
- zu Messfehlern und Fehlerrechnung [Zusammenfassung],
- zur Newton'schen Mechanik & Kinematik [Zusammenfassung] ✯ Erweitert 03/2019 ✯ ,
- zu Elektromagnetischen und gravischen Feldern [Zusammenfassung] und
- zu Schwingungen und Wellen [Zusammenfassung] – darüber hinaus
- zu den Maxwell'schen Gleichungen [Uni‑Zusammenfassung],
- zur Kernphysik: Nuklide & Periodensystem [Zusammenfassung, geringer Anteil von der Uni],
- zur Relativitätstheorie [Uni‑Zusammenfassung],
- zur Kosmologie [Uni‑Zusammenfassung], sowie Zusammenfassungen von
- 📢Vorträgen zur Einstimmung in die Physik und Astronomie.

Link zum 📙Professionellen Software‑Einsatz (z.B. GNU/Linux oder T_EX/L^AT_EX) in Wissenschaft und im technischen Bereich.

Link zum 🎓Hintergrund des Autors.

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Erste Fassung:	24.	Juni	2017
Letzte Änderung:	01.	Januar	2024