Naturgesetze

Naturgesetze Übung

• Beschreibe den Begriff Naturgesetz.

  Tipps

  Was tust du in den Physikstunden - und warum?

  Lösung

  Naturgesetze sind das zentrale Element in der Physik. Sie werden durch Experimentieren und Modellieren formuliert. Jedes Naturgesetz ist nur innerhalb der festgelegten Grenzen gültig.

  Ein Beispiel für ein Naturgesetz ist das Gravitationsgesetz von Isaac Newton. Die komplexe Formel beschreibt quantitativ die Anziehung zwischen Massen. Das Gravitationsgesetz sagt aus, dass beispielsweise auf der Erde alle Körper nach unten fallen. Die Entstehung dieses Naturgesetzes war jedoch ein langer Prozess. Entgegen der Legende kam Newton nicht aus dem Stegreif auf die Formulierung, als ihm angeblich ein Apfel auf den Kopf fiel. Aber vielleicht hat dieser Apfel ja einige langjährige Denkprozesse angestoßen...

• Erkläre, was die Besonderheiten von (physikalischen) Modellvorstellungen sind.

  Tipps

  Inwieweit spiegelt ein Modell die Realität wieder?

  Wo liegen die Grenzen jeder Modellvorstellung?

  Lösung

  Modelle darf man nie mit der Wirklichkeit verwechseln. In Modellen wird stets nur ein Teil der Wirklichkeit dargestellt. Das liegt daran, dass die Realität sehr vielschichtig ist.

  Außerdem werden zur Anwendung von Modellen nur bestimmte Parameter benötigt. Modelle reduzieren also die Wirklichkeit auf die wesentlichen Punkte. So machen sie häufig mathematische Überlegungen überhaupt erst möglich, da diese sonst viel zu komplex wären. Dadurch können Modelle die gewünschten Ergebnisse (fast) wirklichkeitsgetreu nachbilden und vorhersagen.

  Aber dies ist nur innerhalb der Modellgrenzen möglich. Wendet man ein Modell unter falschen Voraussetzungen an, so liefert es in der Regel falsche Resultate.

• Erkläre die Aussagen des Bohrschen Atommodells am Beispiel des Natriums.

  Tipps

  Aus welchen Bestandteilen ist ein Atom aufgebaut?

  Was charakterisiert eine Bahn in diesem Modell?

  Wie gelangen die kleinen Objekte von einer Bahn zur anderen?

  Wann nehmen sie dabei Energie auf und wann geben sie dabei Energie ab?

  Welche tatsächlichen Eigenschaften beinhaltet das Modell und welche nicht?

  Lösung

  Das Bohrsche Atommodell beschreibt den Aufbau eines Natriumatoms folgendermaßen:

  Um den Atomkern aus 11 Protonen (und Neutronen) kreisen die 11 Elektronen auf festen Bahnen. Die Position dieser Bahnen ändert sich nicht. Jeder Bahn ist dabei ein bestimmter (diskreter) Energiewert zugeordnet. Ein Elektron, welches sich auf dieser Bahn bewegt, besitzt genau diese Energie.

  Springt ein Elektron auf eine höher gelegene Bahn, benötigt es dafür Energie. Gelangt es hingegen auf eine tiefere Bahn, gibt es dabei Energie ab. Da der Abstand zwischen den Bahnen und Energieniveaus festgelegt ist, kann man jeder Elektronenbewegung eine bestimmte aufgenommene oder abgegebene Energiemenge (und damit Lichtfarbe) zuordnen.

  Mit dem Bohrschen Atommodell lassen sich daher die Absorptions- und Emissionsspektren erklären. Die Abbildung zeigt das Emissionsspektrum (oben) und das Absorptionsspektrum (unten) von Natrium.

  Nicht berücksichtigt hingegen ist im Modell die räumliche Ausdehnung eines Atoms in drei Dimensionen. Daher kann mit dem Bohrschen Atommodell keine sinnvolle Aussage über das tatsächliche Aussehen von Atomen getroffen werden.

• Ordne das Ohmsche Gesetz als Naturgesetz ein.

  Tipps

  Woran erkennst du eine mathematisch formulierte Regel?

  Wie sind Messwerte dargestellt?

  Was ist die Voraussetzung, damit dieses Gesetz gültig ist?

  Lösung

  Am Beispiel von Georg Ohm kann man das Entstehen eines Naturgesetzes in der Physik gut nachvollziehen.

  Bevor er den entsprechenden mathematischen Zusammenhang aufstellen konnte, musste er zahlreiche Messreihen aufnehmen. Dabei kombinierte er auch die bereits vorhandenen Ergebnisse von anderen Wissenschaftlern und modellierte das Verhalten metallischer elektrischer Leiter mit den beiden Grundgrößen Spannung und Stromstärke.

  Dennoch besitzt das Ohmsche Gesetz nur einen kleinen praktischen Anwendungsbereich. Besonders die Tatsache, dass das Naturgesetz nur bei konstanter Temperatur gültig ist, schränkt seine Anwendungen ein. Nichtsdestotrotz ist es historisch gesehen ein sehr wichtiger Entwicklungsschritt.

• Gib die beiden zur Formulierung eines Naturgesetzes wichtigsten Voraussetzungen an.

  Tipps

  Welche drei Schritte gibt es bei der Entstehung eines Naturgesetzes?

  Lösung

  Wie auch immer die einzelnen Naturgesetze in der Physik ihren Anfang gefunden haben - bis zu ihrer exakten Formulierung ist es meist ein langer Weg.

  Ist das Interesse der Physik geweckt, werden zahlreiche Untersuchungen in Form von Versuchen und Experimenten durchgeführt, um das zugrundeliegende Phänomen möglichst genau zu erforschen. Dabei muss nicht jeder Versuch eine streng akribische Arbeit sein, manchmal steht auch das bloße Testen und Ausprobieren im Vordergrund.

  Sind die Rahmenbedingungen festgesteckt, so kann eine Modellvorstellung festgelegt werden. Diese berücksichtigt nur die relevanten Parameter des zukünftigen Naturgesetzes, da sie sonst sehr schnell unübersichtlich oder unlösbar wird.

  Aus den Daten und dem Modell wird im letzten Schritt dann meist ein mathematischer Zusammenhang (eine Regel) formuliert, der als Naturgesetz bezeichnet wird.

• Entscheide, ob es sich bei den gezeigten Bildern um Modelle handelt.

  Tipps

  Was könnte auf den einzelnen Bildern dargestellt sein?

  Handelt es sich dabei jeweils um ein Modell?

  Lösung

  Alle gezeigten Bilder sind Modelle, die in der Physik gebräuchlich sind. Von links nach rechts sind dies im Einzelnen: das Teilchenmodell (gasförmiger Stoff oder Flüssigkeit), das Feldlinienmodell eines Gravitationsfeldes (wie der Erde), ein Modell zur Veranschaulichung von Stoßprozessen, ein Atommodell (Thomsonsches Atommodell) und das Lichtstrahlenmodell (zur Erklärung von Licht und Schatten).

  Und die Liste der Modelle lässt sich beliebig fortsetzen. Modelle sind in der Physik allgegenwärtig. Sie veranschaulichen Sachverhalte und Prozesse und ermöglichen die Voraussage von Ereignissen. Je nach Funktion können Modelle sehr reduziert sein oder auch viele Informationen enthalten. Wie viele Modelle hast du wohl in der letzten Physikstunde verwendet?