Physikalische_Größen - HMTC - Halbmikrotechnik Chemie GmbH
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L1: Physikalische Größen Lehrbuch Physik 1 Physikalische Größen Natur ist Alles. Der Mensch befasst sich mit der Natur. Er denkt über sie nach un versucht Gesetzmäßigkeiten und Unterschiede festzustellen. Dabei sieht er sich selbst auch als Teil der Natur und versucht sich selbst zu verstehen, woraus er besteht, wie er funktioniert, was er empfindet. Natur, Naturwissenschaft Die folgende Unterteilung ist bereits der Versuch, durch menschliches Denken die Natur einzuteilen. Dazu zerlegt der Mensch das Geschehen in der Natur zunächst in zwei Bereiche. Mit Allem, was der Mensch meint, glaubt und empfindet, befassen sich die Geisteswissenschaften. Im Bereich der Naturwissenschaften befasst man sich ausschließlich mit den messbaren Eigenschaften der Natur. Diese Einteilung ist nur sehr grob. Tatsächlich sind die Wissenschaften wesentlich weiter unterteilt1. Teilweise überschneiden sich die Bereiche auch. So gibt einen Teilbereich der Philosophie der sich mit naturwissenschaftlichen Erkenntnissen befasst. Das Gebiet Mathematik ist ein vollständig abstraktes Geistesprodukt, ohne das jedoch die Beschreibung der Erkenntnisse in den Naturwissenschaften unvorstellbar ist. Deshalb wird die Mathematik als Grundlage zum Verständnis der Natur Trotz der menschlichen Unterteilung bleibt die Tatsache bestehen und muss immer bei allen Folgerungen beachtet werde: Der Begriff „Natur“ selbst ist nicht mehr weiter unterteilbar. Immer hängt alles miteinander zusammen. Nur in unserem abendländischen Denken, das die Naturwissenschaften hervorgebracht hat, ist eine Unterteilung der Natur vorgesehen. Die Naturwissenschaften befassen sich mit den messbaren Eigenschaften der Natur. Messen heißt Vergleichen mit einer Einheit. Diese Einheit wird auch Maßstab genannt. Messen, Maßstab, Ein Maßstab wird in drei Schritten festgelegt. 1. Man muss festlegen, was den Wert "1" besitzt. Man nennt das eine Maßeinheit (Maßstab). 2. Man muss festlegen, wie man erkennt ob etwas gleich dem Maßstab ist. Maßgleichheit 3. Man muss festlegen, was man unter dem Doppelten, dem Dreifachen usw. verstehen will. Maßvielfachheit SI-System Für die verschiedenen Eigenschaften der Natur benötigt man unterschiedliche Maßeinheiten, Messvorschriften und Geräte. Zum Beispiel benötigt man Uhren, um die Zeit zu messen; Waagen, um Massen zu bestimmen. Thermometer, um die Temperatur zu festzustellen. Insgesamt hat man zum jetzigen Stand der naturwissenschaftlichen Erkenntnis für die sieben verschiedenen Bereiche der Naturerscheinungen auch sieben Einheiten festgelegt. Die Festlegung ist nahezu weltweit gültig. Es ist das SI-System (frz. Le Système international d'unités, Internationales Einheitensystem.2) In Deutschland ist für die Einhaltung von Maßen die Physiklaisch-Technische Bundesanstalt zuständig. Diese physikalischen Eigenschaften nennt man Basisgrößen. Man hat die Basisgrößen ursprünglich so festgelegt, dass man sie leicht überall auf der Erde nachbauen kann. Mit der Zeit mussten jedoch Korrekturen an den Werten und der Vergleichsmethode vorgenommen werden, da die ursprünglichen Definitionen dem Anspruch an Genauigkeit (Präzision) und Wiederholbarkeit (Reproduzierbarkeit) nicht mehr genügten.3 Jede physikalische Größe besitzt einen festgelegten Namen und, sofern sie mit einer Messung verbunden ist, einen Wert und eine Einheit. Da sich der Kenntnisstand in den Naturwissenschaften laufend verbessert, werden die international gültigen Festlegungen der Basisgrößen dem Kenntnisstand angepasst. Basisgrößen Weltgültigkeit Physikalische Größe: Name, Wert und Einheit Sowohl die Basisgrößen als auch die Darstellung eines physikalischen Wertes und die Zahlwörter, die zur Beschreibung einer Messgröße sind international festgelegt. Zur Zeit gilt weltweit das SI-System, das die Bundesrepublik in ihr nationales Gesetzeswerk aufgenommen hat. Es ist in Deutschland nur noch in wenige Ausnahmefällen die Angabe von alten Einheiten zusätzlich erlaubt. Oftmals ist die festgelegte Maßeinheit zur Angabe eines Messwertes wenig geeignet. So kann man die Entfernung zum nächsten Stern kaum übersichtlich in der Einheit Meter angeben, die Zahl hätte sehr viele Nullen. Auf der anderen Seite ist der Durchmesser eines Haares sehr klein, so dass eine Zahl mit vielen Nullen hinter dem Komma nötig würde. Daher hat man Abkürzungen für das Vielfache und Teile von Einheiten vereinbart. Werteunterteilung mit Zahlworten Neben den Basisgrößen gibt es noch weiter physikalischen Größen. Man nennt die zusammengesetzten physikalischen Größen auch abgeleitete Größen. Hierfür benötigt man ebenfalls einheitliche Festlegungen (Definitionen). Das Zusammensetzen der abgeleiteten physikalischen Größen erfolgt nach mathematischen Regeln, die Definitionen sind mathematischen Beziehungen (Gleichungen). Zusammengesetzte, abgeleitete Größen Oftmals reicht zur Beschreibung einer physikalischen Größe die Messung eines Wertes nicht aus. Mitunter werden auch noch Richtungen oder die Beschreibung der räumliche Eigenschaften benötigt. Skalare, Vektoren, Tensoren Ein Beispiel hierfür ist die Geschwindigkeit, bei der die Richtung wichtig ist. Es macht einen Rieseunterschied, ob zwei Eisenbahnzüge mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit aufeinander zu 1 Unterteilung der Wissenschaften: wikipedia http://de.wikipedia.org/wiki/Wissenschaft 2 wikipedia: Internationales Einheitensystem http://de.wikipedia.org/wiki/Internationales_Einheitensystem - Geschichte 3 Über das Messen: die physikalisch-technische Bundesanstalt http://www.ptb.de/de/wegweiser/einheiten/_index.html © 2005 HMTC Halbmikrotechnik Chemie GmbH; Lernbuch L1: Physikalische Größen 2 Lehrbuch Physik oder hintereinander her fahren! Hier ist also noch die Angabe der Richtung wichtig. Zur Beschreibung benutzt man spezielle mathematische Begriffe, die man Skalare (einfache physikalische Größen), Vektoren (Größen mit Richtung und Angriffspunkt) und Tensoren (Größen mit räumlichen Eigenschaften) nennt. Für Vektoren und Tensoren ist eine spezielle mathematische Rechentechnik und Symbolik entwickelt worden, die dem Physiker das Rechnen mit diesen Größen erleichtert. Wie bei fast allem Anderen ist jedoch das Erlernen des Handwerks mitunter mühsam. Auch noch so sorgfältiges Messen ist immer mit Messfehlern behaftet. Für das Erkennen von Gesetzmäßigkeiten in der Natur ist es daher notwendig, Messfehler zu kennen, andernfalls blieben Zusammenhängen durch zufällig auftretende Messfehler verborgen. Die Messfehler, die Fehlerabschätzung und Fehlerrechnung sind daher wesentlicher Bestandteil einer naturwissenschaftlichen Aussage über Naturgesetze. Messfehler © 2005 HMTC Halbmikrotechnik Chemie GmbH; Lernbuch
