Denkwijzen bij natuurkunde

Op deze pagina wordt kort besproken hoe de denkwijzen bij natuurkunde worden toegepast, voorzien van voorbeelden

Patronen
Binnen de natuurkunde is het zoeken naar patronen vaak de eerste stap naar het doen van voorspellingen en het zoeken naar oorzaken. Het zoeken naar patronen in de getijden en seizoenen stelde mensen al vroeg in staat om deze te voorspellen en verbanden te leggen met de posities van de zon en de maan.

Schaal, Verhouding en Hoeveelheid
Hoeveelheden worden bij natuurkunde zo veel mogelijk kwantitatief weergegeven. Natuurkunde bestudeert fenomenen van de kleinste schaal – quarks en gluonen – tot de grootste schaal – het universum zelf. Daarom is het vaak belangrijk om effecten die te klein zijn om op een bepaalde schaal effect te hebben buiten beschouwing te laten. Zo is bijvoorbeeld aan het begin van een val de luchtweerstand nog te verwaarlozen en heeft de atomaire structuur van gasmoleculen geen effect op het gedrag van gassen op de menselijke schaal.

Oorzaak en Gevolg
Binnen de natuurkunde wordt altijd gezocht naar de meest fundamentele oorzaak. Dit stelt natuurkundigen in staat om meerdere fenomenen als gevolg van dezelfde oorzaak te beschrijven. Zo zijn faseovergangen, uitzetting en de gaswetten allemaal gevolgen van het deeltjeskarakter van materie.

Systeem en systeemmodellen
Als natuurkundigen de wereld in systemen indelen, kijken ze vooral naar wat er wel en niet van buiten met dat systeem gebeurt. Zo komt bijvoorbeeld een bewegende slee niet tot stilstand als er geen kracht van buiten op werkt, zoals weerstand, en neemt de hoeveelheid energie in een woonhuis niet af als er geen energie naar buiten verdwijnt, bijvoorbeeld via de schoorsteen door stroming.

Behoud, transport en kringloop van energie en materie
Binnen de natuurkunde spelen behoudswetten een heel belangrijke rol. Behoud van energie is waarschijnlijk de belangrijkste: energie verbindt alle onderdelen van de natuurkunde. Het verwarmen van gassen, een opstartende auto, een elektrische lamp; allemaal processen waarbij energie wordt omgezet. Natuurkundigen bestuderen ook welke behoudswetten er nog meer zijn - denk bijvoorbeeld aan behoud van lading - en onder welke omstandigheden die wetten gelden – in nucleaire processen gelden behoud van massa en energie niet meer onafhankelijk van elkaar.

Structuur en functie
Functie is vooral een begrip uit de toegepaste natuurkunde. De natuurkunde verschaft vaak precieze, kwantitatieve voorschriften voor de benodigde structuur bij een bepaalde functie. Hoe lang moeten de snaren op een gitaar zijn om de gewenste tonen voort te brengen? Hoe groot moet het oppervlakte van de zonnepanelen zijn om genoeg energie te produceren voor een huishouden? Is de constructie van de brug stevig genoeg om het gewenste gewicht aan te kunnen?

Stabiliteit en verandering
Binnen de natuurkunde is 'verschil leidt tot verandering' een belangrijke gedachte. Als er een verschil is tussen de krachten naar boven en naar beneden, dan verandert de verticale snelheid. Als er verschil is tussen de warmte die binnenkomt en naar buiten gaat, dan verandert de temperatuur. Dit betekent dat stabiliteit niet alleen optreedt als er geen veranderende impulsen zijn, maar ook als deze in evenwicht zijn.

Duurzaamheid
Bij natuurkunde komt duurzaamheid met name aan bod bij het bespreken van verschillende manieren om elektriciteit op te wekken. Het gaat dan zowel om het ontnemen van grondstoffen – steenkool, uranium – als om het produceren van afval – CO2, kernafval.

Risico's en veiligheid
Natuurkundige kennis is nodig bij het veilig omgaan met veel verschillende omstandigheden: verkeer, elektriciteit, verwarmen, gehoorschade, straling. Ook bij (demonstratie)practica in de les bij deze onderwerpen moeten leerlingen zich bewust zijn van hoe veilig te handelen. Het redeneren aan kansen en waarschijnlijkheden, dat voor risicoanalyse belangrijk is, speelt een fundamentele rol in de natuurkunde, maar komt in het middelbaar onderwijs vrijwel niet aan de orde.