Physikerinnen und Physiker kommen auf unterschiedliche Weise zu neuen Erkenntnissen. Ausgangspunkt sind Fragen, die sich aufgrund von Beobachtungen oder theoretischen Überlegungen ergeben. Es werden Hypothesen erstellt, wie diese Fragen zu beantworten wären und zu deren Bestätigung gezielt Experimente und Messungen durchgeführt. Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen werden immer auch mathematisch formuliert. In der modernen Physik sind Hypothesen und Theorien oft nur mathematisch zu erfassen. Die folgende Darstellung der Arbeitsweise der Physik ist daher sehr vereinfacht. Wesentlich für den Erkenntnisweg sind die beschriebenen Elemente. Wie diese Elemente erarbeitet werden, hängt vom untersuchten Gegenstand, von der Persönlichkeit des Forschers bzw. der Forscherin und seinen/ihren praktischen Möglichkeiten ab. 1 Fragestellung: Fragen können sich aus der gezielten oder zufälligen Beobachtung eines bestimmten Phänomens ergeben, oder auch aus theoretischen Überlegungen (z. B. Widersprüchen). 2 Aufgrund der Beobachtung und der bisherigen theoretischen Modelle wird nach einer Erklärung für die Beobachtung gesucht. Es wird eine Hypothese aufgestellt, ein Gedankenmodell, das mit der Beobachtung und der bisherigen Theorie (falls es eine gibt) im Einklang steht. 3 Aufgrund der Hypothese lassen sich Vorhersagen für mögliche weitere Beobachtungen machen. 4 Die Vorhersagen werden mittels Experiment überprüft. Experimente sind gezielte Fragen an die Natur und müssen beliebig wiederholbar sein. 5 Werden die Vorhersagen bestätigt, dann kann eine Theorie formuliert werden. Diese muss nicht nur das untersuchte und bisher nicht verstandene Phänomen erklären, sondern auch bereits länger bekannte Phänomene umfassen. Die Theorie muss also „konsistent“ mit dem Gesamtmodell der Physik sein, das heißt es dürfen keine Widersprüche auftreten. Physikalische Theorien sollten zumindest langfristig mittels Experiment überprüfbar sein. Theorien werden häufig zu einem Zeitpunkt formuliert, wo eine vollständige experimentelle Überprüfung noch nicht möglich ist. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Relativitätstheorie. 6 Hypothesen und Theorien werden in der modernen Physik (auch) mathematisch formuliert. Dies setzt voraus, dass die physikalischen Größen, die in diesen Theorien auftreten, messbar sind. Die Ergebnisse der Messungen müssen den mathematischen Gleichungen entsprechen. Aufgrund der mathematischen Formulierung können auch Vorhersagen gemacht werden, die dann wieder mittels Experiment überprüft werden. Experimente haben in der Physik zentrale Bedeutung. Sie sind für die Gewinnung, aber auch für die Bestätigung physikalischer Erkenntnisse unentbehrlich. Vielfach waren Fälle von Versuch bzw. Irrtum und zufällige Beobachtungen beim Experimentieren Anlass für Fortschritte in der Physik. Besonders bedeutende Zufallsentdeckungen führten zum Beispiel im 19. Jahrhundert zur Erforschung des Elektromagnetismus und am Beginn des 20. Jahrhunderts zur Untersuchung von Röntgenstrahlung und Radioaktivität. In allen Fällen waren umfangreiches Fachwissen und ein geschulter Blick nötig, um die richtigen Fragen zu stellen und Antworten auf diese zu finden. Physikalische Arbeitsweise ??????????? ? ? ? ? ? ? ??????????? ???????????? ? ? ? Intuition neue Hypothese (unter Umständen mit besserer Fragestellung) Widerspruch zu den Annahmen neue Fragen Verbesserung der Hypothese teilweise Übereinstimmung mit den Annahmen Technik Fragestellung an die Natur Hypothese prüfbare Voraussagen Experimente, Messungen, Auswertung Bestätigung der Voraussagen phys. Modell oder phys. Theorie geistige Spekulation technische Notwendigkeit Beobachtung eines Naturphänomens bereits vorhandene Theorien 28.1 Grafische Darstellung der physikalischen Arbeitsweise 28 Mechanik I 2 Geschwindigkeit und Beschleunigung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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