1.2 Physikalische Größen und ihre Einheiten
Physikalische Größe = Ergebnis einer Messung
aus
Vergleich der Größe mit ihrer Einheit
1.2.1 Physikalische Grundeinheiten
- Länge
- Vergleich (Zollstock, Massband, Schieblehre...) der zu messenden Größe mit dem Maßstab.
Frühere Definition: Pariser Urmeter
Heute: Definition über eine Zeit und ein Naturgesetz, die Konstanz der Lichtgeschwingikeit im Vakuum
1 Meter = Entfernung, die das Licht im Vakkum in 1/299792458 Sekunden zurücklegt |
Einheit 1 m = 100 cm |
Abgeleitete Größen:
- Fläche (Einheit 1 m2)
- Volumen (Einheit 1 m3)
- Zeit
- Abzählen periodischer Vorgänge (Erddrehung, Uhren, ...)
Frühere Definition: 1/86400 eines mittleren Sonnentages
Heute: Definition über die Schwingungsdauer des Lichtes einer bestimmeten Spektralline
1 Sekunde = Das 9.192.631.770fache der Schwingsungsdauer einer Spektrallinie von Caesium 133 |
Einheit 1s |
- Masse
- Massenvergleich mit einer Waage
Definition: Pariser Urkilogramm
1 Kilogramm = Masse des Pariser Urkilogramms |
Einheit 1 kg = 1000 g |
Während Länge und Zeit anschauliche Größen sind, ist die Eigenschaft Masse abstrakt. Masse hat weder etwas mit dem Volumen noch
mit der Stoffmenge (z.B. Anzahl Atome) zu tun. Der Begriff
Masse bezieht sich auf zwei unterschiedliche Eigenschaften eines Körpers:
- Schwere Masse (Eigenschaft von Masse, von anderen Massen angezogen zu werden = Gravitation F = G m1 m2 / r2)
- Träge Masse (Eigenschaft von Masse, einer von aussen ansetzenden Kraft eine Trägsheitskraft entgegenzusetzen F = m a)
(Dazu später mehr)
Alle in der Mechanik relevanten physikalischen Größen (Geschwindigkeit, Kraft, Druck, Drehimpuls,...) lassen sich aus den drei Grundgrößen
Länge, Zeit, Masse ableiten.
1.2.2 Größenordnungen, Erweiterung der Einheiten
Es ist häufig unpraktisch in nur in Basiseinheiten m,s,kg zu rechnen, da die in der Physik beschriebenen Phänomene viele Zehnerpotenzen
(Größenordnungen) überspannen.
Film "zehn hoch"
Erweiterungen der Einheiten durch Vorsilben:
Zehnerpotenz | Vorsilbe | Abkürzung | Beispiel Länge | Beispiel Zeit |
1018 | Exa | E | | |
1015 | Peta | P | | |
1012 | Tera | T | | |
109 | Giga | G | | |
106 | Mega | M | | |
103 | Kilo | k | km | |
100 | | | m | s |
10-3 | Milli | m | mm | ms |
10-6 | Mikro | µ | µm | µs |
10-9 | Nano | n | nm | ns |
10-12 | Pico | p | pm | ps |
10-15 | Femto | f | fm | fs |
10-18 | Atto | a | | |
Powers of Ten (benötigt Java, dauert etwas)
Physik beschreibt die Natur über Längenskalen von 10
-15
1.2.3. Das SI-System
Système International d'Unités
Vorschrift, nur
ein System von Basiseinheiten und daraus abgeleiteten Einheiten zu verwenden.
SI-Basis-Einheiten:
Größe | Einheit | Abkürzung |
Länge | Meter | m |
Zeit | Zeit | s |
Masse | Kilogramm | kg |
Stromstärke | Ampère | A |
Temperatur | Kelvin | K |
Stoffmenge | Mol | mol |
Lichtstärke | Candela | cd |
Wir werden i.d.R. SI-Einheiten verwenden. Manche SI-Einheiten haben spezielle Namen z.B.
- viele abgeleitete Einheiten, z.B. Einheit des Drucks 1 Pascal = 1 Pa = 1 kg / m s2 und Einheit der el. Ladung 1 Coulomb = 1 C = 1 A s
- bestimmte Zehnerpotenzen von Grund-/abgeleiteten Einheiten 1 Å = 1 Ångstrøm = 10-10 m
- Als Zeiteinheiten sind auch Minuten (1 min = 60 s), Stunden (1 h = 60 min), Tage (1 d = 24 h), und Jahre (1 a = 365 d) gebräuchlich, wenn auch streng genommen keine SI-Einheiten
Manchmal halten sich Physiker (und auch z.B. Mediziner) trotzdem nicht an das SI-System und benutzen sog.
praktische Einheiten, z.B.
- 1 Lichtjahr (Längeneinheit) = Entfernung, die das Licht in 1 Jahr zurücklegt = (3600 * 24 * 365) s * Lichtgeschwindigkeit = 9.46 1015 m = 9.46 Pm (Petameter)
- 1 Elementarladung = Elektrische Ladung des Elektrons = 1 e = 1.6 * 10-19 C
- 1 Elektronenvolt = kinetische Energie eines Elektrons nach Beschleunigung durch eine Spannung von 1 Volt = 1.6 10-19 Joule (=SI-Einheit der Energie)
- 1 Millimeter Quecksilbersäule = 1 mmHg = 1 Torr (Druckeinheit) = hydrostatischer Druck einer Quecksilbersäule von 1mm = 133.3 Pascal = 133.3 Pa
ACHTUNG!!!
- Eine physikalische Größe ohne Angabe ihrer Einheit ist keine!
- Bei Rechnungen sollte man immer überprüfen, ob auch die Einheiten auf der rechten und linken Seite übereinstimmen, bzw. ob das Ergebnis auch die gewünschte Einheit hat. So findet man häufig Fehler!
-- Main.deschPHYSIK.UNI-FREIBURG.DE - 19 Apr 2006