Physik: Weltbilder

Historische und Moderne Weltbilder

  • Geozentrisches Weltbild (Antike)

    • Zentrum: Die Erde befindet sich im Zentrum des Universums.
    • Urheber / Vertreter: Entwickelt nach den Lehren von Aristoteles und Claudius Ptolemäus.
    • Bewegungsmodell: Die Sonne, der Mond und die Planeten bewegen sich in Kreisbahnen um die Erde.
    • Gültigkeitsdauer: Dieses Modell galt zirka 10001000\,Jahre lang.

  • Heliozentrisches Weltbild (Wende der Neuzeit)

    • Zentrum: Die Sonne befindet sich im Zentrum des Systems.
    • Begründer: Nikolaus Kopernikus.
    • Eigenbewegung der Erde: Die Erde dreht sich um ihre eigene Achse und umkreist zusammen mit anderen Planeten die Sonne.
    • Bahnform der Planeten: Die Planeten besitzen ellipsenförmige Bahnen.
    • Postuliert von Johannes Kepler.
    • Bestätigt durch Galileo Galilei.
    • Physikalische Begründung: Isaac Newton lieferte die physikalische Erklärung für die Planetenbewegung mithilfe seines Gravitationsgesetzes.

  • Modernes Weltbild (20. / 21. Jahrhundert)

    • Relativitätstheorie:
    • Urheber: Albert Einstein.
    • Kernaussage: Raum, Zeit und Schwerkraft hängen von der Bewegung und dem Blickwinkel des Beobachters ab; sie sind nicht fest und unveränderlich.
    • Expandierendes Universum:
    • Die Entdeckung des Urknalls und der Galaxien zeigte, dass die Sonne nur ein winziger Teil einer Galaxie ist.

Keplersche Gesetze

  • Definition: Drei physikalische Regeln, die die Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne beschreiben.

  • 1. Keplersches Gesetz (Ellipsengesetz)

    • Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen um die Sonne.

  • 2. Keplersches Gesetz (Flächensatz)

    • Eine gedachte Verbindungslinie (Fahrstrahl) von der Sonne zu einem Planeten überstreicht in gleichen Zeitabschnitten immer gleich große Flächen.
    • Geschwindigkeitsdynamik:
    • Ist ein Planet näher an der Sonne, führt dies zu einer schnelleren Bewegung.
    • Ist ein Planet weiter entfernt, bewegt er sich langsamer.

  • 3. Keplersches Gesetz (Umlaufzeitengesetz)

    • Die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die dritten Potenzen ihrer mittleren Abstände zur Sonne.
    • Mathematisches Verhältnis:T12T22=a13a23\frac{T_1^2}{T_2^2} = \frac{a_1^3}{a_2^3}
    • Variablenbezeichnungen:
    • TT = Umlaufzeit des Planeten
    • aa = mittlerer Abstand zwischen Planet und Sonne
    • Schlussfolgerung: Je größer die Entfernung zur Sonne ist, desto länger ist die Umlaufzeit des Planeten.

Gravitation

  • Begründer & Entstehungsjahr: Isaac Newton (16871687).

  • Definition des Gravitationsgesetzes: Das Gravitationsgesetz beschreibt die Stärke der anziehenden Kraft zwischen zwei Massenpunkten.

  • Mathematische Formel:FG=G⋅m1⋅m2r2F_G = G \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}

  • Formelgrößen & Einheiten:

    • FGF_G = Gravitationskraft (Anziehungskraft)
    • GG = Gravitationskonstante mit dem Wert G=6,674×10−11 m3 kg−1 s−2G = 6{,}674 \times 10^{-11}\,\text{m}^3\,\text{kg}^{-1}\,\text{s}^{-2} (entspricht auch (6,6741011 m3kg⋅s2)\left(\frac{6{,}674}{10^{11}}\,\frac{\text{m}^3}{\text{kg} \cdot \text{s}^2}\right)).
    • m1,m2m_1, m_2 = Massen der beiden Körper
    • rr = Abstand zwischen den Mittelpunkten (Schwerpunkten) der beiden Körper

  • Eigenschaften der Gravitationskraft:

    • Die Kraft ist immer anziehend und wirkt entlang der Verbindungslinie beider Mittelpunkte.
    • Je größer die Masse der beteiligten Körper ist, desto stärkere Anziehungskraft wirkt zwischen ihnen.
    • Je größer der Abstand zwischen den Körpern ist, desto schwächer ist die Kraft.
    • Beide Körper üben gleich große, aber gegenseitig entgegengesetzte Kräfte aufeinander aus.