Physikalische Grössen
Lernziele
- Sie wissen, welche Voraussetzungen ein Merkmal aufweisen muss, um als physikalische Grösse zu dienen
- Sie nennen die 7 Basisgrössen, die das Fundament fürs Internationale Masssystem (SI-System, aus dem Französischen Système international d’unités) legen
- Sie wissen, was eine abgeleitete Grösse ist und können die korrekte Einheit dafür angeben
Quantifizierbare Merkmale
Lesen Sie folgende kleine Geschichte:
Die Kuh hat dreimal zwei Beine: hinten zwei, links zwei und rechts ebenfalls zwei. Dazu hat sie vier Seiten: links, rechts, oben und unten. Die Oberfläche der Kuh ist überall mit Rindsleder überzogen. Das ist wichtig, denn sonst fiele das Tier auseinander. Ganz vorne ist der Kopf mit den Hörnern und das Maul, damit sie Muuh machen kann. Wo der Kopf ist, ist immer vorne. Befindet sich der Kopf hinten, steht die Kuh verkehrt herum. Hinten ist der Schwanz mit einen Pinsel dran. Damit jagt die Kuh die Fliegen fort, denn sie sollen nicht in die Milch fallen. Die Kuh steht im falschen Verdacht, Milch zu geben. Das ist ein glatter Irrtum! Sie gibt keine Milch, man muss sie ihr nämlich herausnehmen. Die Milch hängt bei der Kuh unter dem Bauch und ist zum Ziehen eingerichtet.
Die Milch wird niemals alle, weil die Kuh immer wieder neue macht. Wie sie das schafft, haben wir in der Schule noch nicht durchgenommen.
Zum Melken benötigen manche einen Melkschemel. Es muss sehr schwer sein, die Kuh zum Sitzen zu überreden. Die Kuh hat auch einen feinen Geruch. Man spürt ihn schon von weitem, denn er macht die gute Landluft aus.
Eine Kuh braucht wenig Nahrung. Denn was sie einmal gefressen hat, das kaut sie solange wieder, bis sie richtig satt ist. Im Sommer frisst die Kuh besonders gern Butterblumen. Das gibt dann die Buttermilch. In der heissen Jahreszeit stehen die Kühe auf den Weiden oft bis zum Bauch im Wasser. Sie tun das, damit die Milch nicht sauer wird. Wenn es aber donnert, wird die Milch eben doch leicht sauer.
Die Männer der Kühe heissen die Ochsen. Aber nicht alle Männer sind Ochsen. Es gibt auch Bullen. Der Ochse sieht genauso aus wie eine Kuh, nur hat er keine Milch im Bauch. Darum ist er auch kein Säugetier. Man braucht ihn deshalb zum Mästen und Schlachten. Der Ochse hat auch einen Schwanz mit Pinsel dran. Der kommt in kleine Schachteln und heißt dann Ochsenschwanzsuppe. Mehr hat uns der Lehrer noch nicht gesagt.
Anscheinend soll es sich um einen Kinderaufsatz eines Achtjährigen handeln. Der Autor ist meines Wissens aber nicht bekannt.
Versetzen Sie sich einmal in eine Person, die noch nie eine Kuh gesehen hat. Könnten Sie eine Kuh nach dieser Beschreibung zeichnen? Vermutlich denken jetzt alle: natürlich nicht! Obwohl sehr viele Merkmale der Kuh genannt werden, geben sie uns keine allgemein nachvollziehbaren Hinweise auf das Aussehen der Kuh.
Frage
Darum stellt sich jetzt die wichtige Frage: Was macht denn ein Merkmal aus, das allgemein nachvollziehbar ist?
Der Kinderaufsatz zeigt uns, dass wir in Physik nicht auf alle erdenklichen Merkmale zurückgreifen können. Sobald sie subjektiv sind wie beispielsweise die «gute Landluft», sind sie nicht mehr für alle nachvollziehbar.
Physikalische Grössen
Wie wir bereits gesehen haben, müssen physikalische Grössen allgemein nachvollziehbar sein. Nur so legen Sie die Grundlage für unser 1. B, die Beobachtung. Dies wird durch folgende Definition erreicht:
Definition
- Das Merkmal liegt in Abstufungen vor
- Die Abstufungen gehen kontinuierlich (=lückenlos) ineinander über
Die Temperatur ist eine physikalische Grösse, da sie beispielsweise in der Einheit °C abgestuft angegeben werden kann. Auch gehen die einzelnen Abstufungen lückenlos ineinander über: Sie finden beispielsweise eine Temperatur zwischen 20 °C und 21 °C, sagen wir 20.3 °C.
Anders sieht es mit der Farbe aus. Einerseits ist sie subjektiv (denken Sie an die Farbblindheit), andererseits sind die Abstufungen nicht kontinuierlich. Im RGB-Farbmodell werden die 3 Farben Rot, Grün und Blau zu je 256 Anteilen gemischt. Sie haben aber z.B. keinen weiteren Wert im Blauanteil zwischen 20 und 21, weil nur ganze Zahlen zugelassen sind.
Deshalb brauchen die Physiker nicht so sehr die Farbe um das Licht zu charakterisieren, sondern deren Wellenlänge.
Basisgrössen
Verblüffend ist, dass man all diese Grössen auf lediglich 7 zurückführen kann. Man nennt sie Basisgrössen. Somit genügt es, diese Basisgrössen für alle nachvollziehbar zu machen.
Jede erfüllt folgende Definitionen:
- Die Definition der Gleichheit
- der Vielfachheit und
- der Einheit
Die Länge ist eine Basisgrösse. Die Definition der Gleichheit könnte wie folgt gemacht werden: Zwei Stäbe sind gleich lang, wenn sie übereinander gelegt, zur Deckung gebracht werden können.
Die Vielfachheit ginge ähnlich: Ein Stab ist doppelt so lang, wenn er mit zwei Stäben der ursprünglichen Länge gedeckt werden kann.
Komplizierter gestaltet sich die Definition der Einheit. Bei der Länge wäre es das Meter (m).
Heute definiert man die Einheiten der Basisgrössen über die sog. Naturkonstanten. Vorteil ist, dass in jedem Labor auf der Welt diese Konstanten nachgeprüft werden können, sofern die nötige Infrastruktur vorhanden ist. Somit kann jeder (auch auf dem Mond!) nachvollziehen, was 1 Meter ist.
Wer sich dafür interessiert, kann diese Seite lesen.
Sie ist nicht ganz leicht verständlich und von daher kein Prüfungsstoff
Hier folgen die 7 Basisgrössen mit ihren entsprechenden Einheiten:
| Basisgrösse | Einheit | Abkürzung |
|---|---|---|
| Länge | das Meter | m |
| Masse | das Kilogramm | kg |
| Zeit | die Sekunde | s |
| Stromstärke | das Ampere | A |
| Abs. Temperatur | das Kelvin | K |
| Stoffmenge | das Mol | mol |
| Lichtstärke | die Candela | cd |
Diese Basisgrössen bilden das Fundament fürs Internationale Masssystem (SI).
Abgeleitete Grössen
Selbstverständlich gibt es weitere Merkmale, die wir in Physik verwenden können. Wie bereits erwähnt, lassen diese sich auf diese 7 zurückführen.
So ist die Geschwindigkeit eine abgeleitete Grösse.
Frage
Führen Sie die Geschwindigkeit auf die Basisgrössen zurück. Welche Basiseinheit hat sie?
Wir merken uns: Abgeleitete Grössen lassen sich durch Multiplikation und Division aus den Basisgrössen zusammensetzen.
Aufgaben
Als Übung können Sie die Aufgaben 3-6 auf Seite 11 Ihres Physikaufgabenbuchs lösen.