Physikalische Einheiten: Grundlagen, Definition & Umrechnung – So Geht's!
Was macht die Welt der Physik so faszinierend? Die Antwort liegt in den präzisen Messungen und den Einheiten, die uns erlauben, die Natur in all ihren Facetten zu verstehen und zu beschreiben.
Eine physikalische Größe, dargestellt als x, definiert durch x = {z a} a, wobei {z a} der Zahlenwert ist, der in der Einheit a angegeben wird, wird durch einen geeigneten Umrechnungsbruch (gemäß 1b) in einen Zahlenwert {z b} b mit einer anderen Einheit b umgerechnet. Dies geschieht durch Multiplikation mit 1. Es ist essentiell, den korrekten Umrechnungsbruch zu wählen, der die Einheit a in die gewünschte Einheit überführt. Das Wesen einer physikalischen Einheit ist fundamental, da jede physikalische Größe in einer bestimmten Einheit gemessen wird. Beispielsweise wird die Länge in Metern oder die Zeit in Sekunden oder Minuten angegeben. Die Einheit einer physikalischen Größe ergibt sich zumeist aus der Definition dieser Größe selbst.
| Merkmal | Details |
|---|---|
| Grundlegende Größen | Länge (Meter), Masse (Kilogramm), Zeit (Sekunde), elektrische Stromstärke (Ampere), Temperatur (Kelvin), Stoffmenge (Mol), Lichtstärke (Candela) |
| Abgeleitete Einheiten | Werden aus den Basiseinheiten zusammengesetzt (z.B. Kraft in Newton, Druck in Pascal) |
| Bedeutung | Ermöglichen quantifizierbare Messungen und Vergleiche in der Physik |
| Internationales Einheitensystem (SI) | Das weltweit anerkannte System von Einheiten, das auf sieben Basiseinheiten basiert |
Quelle: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
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Das Messen einer Größe bedeutet im Wesentlichen, sie mit der relevanten Einheit zu vergleichen. Werte von geometrischen und physikalischen Größen werden in Maßeinheiten angegeben, auch bekannt als Größeneinheiten oder physikalische Einheiten, die einen eindeutigen, meist international definierten Wert haben. Alle anderen Werte der jeweiligen Größe werden als Vielfache oder Bruchteile der verwendeten Einheit ausgedrückt. Dies ist ein grundlegendes Prinzip, das sich in der Geschichte der Physik manifestiert hat.
Seit der Reform der Grundlagen der Physik lauten die sieben grundlegenden Definitionen sinngemäß. Als Beispiel: Der Druck, als Quotient aus Kraft und Fläche, besitzt die Einheit Newton pro Quadratmeter (N/m²). Hierfür wurde auch die kürzere Bezeichnung Pascal (Pa) eingeführt. Neben dem Pascal ist das Bar (bar) eine weitere Einheit für den Druck. Zwischen der Einheit Pascal und der Einheit Bar besteht folgende Beziehung: 1 bar = 100.000 Pa. Dies veranschaulicht die Notwendigkeit, Einheiten zu standardisieren und Beziehungen zwischen ihnen zu verstehen.
Für die korrekte Schreibweise von Größen, Einheiten und Werten existieren klare Standards, um Missverständnisse zu vermeiden und die Kommunikation in der Wissenschaft zu erleichtern. Physikalische Konstanten sind in der Regel separat aufgelistet und nicht Teil der Einheiten selbst, obwohl sie eine fundamentale Rolle in physikalischen Gleichungen spielen.
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Physikalische Einheiten sind von grundlegender Bedeutung, wie in Kreuzworträtseln, beispielsweise mit 35 Lösungen von 3 bis 12 Buchstaben, widergespiegelt wird. Es gibt eine Vielzahl physikalischer Größen und Einheiten, jedoch nur sieben Basisgrößen bzw. Basiseinheiten, aus denen alle anderen Größen zusammengesetzt werden. Jede physikalische Größe ist einer Einheit zugeordnet, und diese Einheit kann nur auf eine Weise von den sieben definierenden Konstanten (bis 2018: von sieben Basiseinheiten) abgeleitet werden. Diese Festlegung dient der Eindeutigkeit und der universellen Verständlichkeit.
Im November 2018 wurde auf der 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht eine grundlegende Änderung beschlossen, die die Definition der Basiseinheiten revolutionierte. Dies verdeutlicht die dynamische Natur der Physik und die ständige Weiterentwicklung unserer Messstandards. (Quelle: Rathlev, Institut für experimentelle und angewandte Physik der Universität Kiel, Juli 2012).
Physikalische Maßeinheiten werden oft einfach erklärt, wobei Tabellen und das metrische System verwendet werden. Metrische Einheiten werden durch Videos und andere visuelle Hilfsmittel veranschaulicht, um das Verständnis zu erleichtern. Jede physikalische Größe wird in einer bestimmten Einheit gemessen; die Länge in Metern, die Zeit in Sekunden oder Minuten, usw. Die Einheit einer physikalischen Größe ergibt sich zumeist aus der Definition dieser Größe. Messen einer Größe bedeutet vergleichen mit der betreffenden Einheit. Unterschiedliche physikalische Größen mit derselben Dimension haben auch dieselbe kohärente Einheit. Dies vereinfacht Berechnungen und Vergleiche in der Physik.
Die Beziehung zwischen einer physikalischen Größe, ihrem Zahlenwert und ihrer Einheit lässt sich wie folgt darstellen: Physikalische Größe = Zahlenwert × Einheit. Diese fundamentale Gleichung unterstreicht die Bedeutung der Einheit, da sie den Kontext für den Zahlenwert liefert. Man bezeichnet einen Unterschied um den Faktor 10 zwischen Werten derselben Größe als eine Größenordnung. Größenordnungen entsprechen also einem Faktor von 10, 100, 1000 usw., und sie helfen uns, die relative Größe verschiedener Werte besser zu verstehen.
Es gibt eine Reihe von Größen, deren Größenwerte unveränderlich feststehen, wie z.B. die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum oder die Elementarladung. Die Frequenz als physikalische Einheit und Größe ist ein hervorragendes Beispiel für eine Messung, die uns hilft, periodische Phänomene zu verstehen. Das Wort "Frequenz" kommt vom lateinischen "frequentia" und bedeutet "Häufigkeit". In der Physik und Technik ist die Frequenz ein Maß dafür, wie häufig innerhalb eines periodischen Vorgangs Wiederholungen auftreten.
In der Notation ist es wichtig, keine unnötigen Klammern zu verwenden, die die Lesbarkeit beeinträchtigen. Ebenso sollten wir die Symbolik für "Einheit der Größe" beibehalten, um Eindeutigkeit zu gewährleisten. Für physikalische Vektoren und Tensoren gilt in Bezug auf die Einheit das oben Gesagte gleichermaßen.
Die Zeit ist eine physikalische Größe, mit der man angibt, wie lange ein Prozess ablaufen wird. Ein Tag in der Physik geht von \(0:00\) bis \(23:59\) und besteht damit aus \(24\) Stunden. Jede einzelne Stunde besteht wiederum aus \(60\) Minuten, die jeweils aus \(60\) Sekunden bestehen. Die Aufteilung der Zeit ist grundlegend für viele physikalische Berechnungen und Messungen.
Physikalische Größen bestehen immer aus einem Formelzeichen, einer Maßzahl und einer Maßeinheit. Beispielsweise wird die Länge oft als \(l=5{,}0\\,\\rm{m}\) dargestellt. Es gibt sieben Basisgrößen, über die alle anderen Größen definiert werden: Zeit, Länge, Masse, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke. Diese sieben Größen bilden das Fundament des Internationalen Einheitensystems (SI).
Die Einheiten wie Cn (Centinewton oder Zentinewton, 0,01 Newton) sind übliche Einheiten bei der Beschreibung der Festigkeit von Fasern und Garnen (z.B. Cn/dtex) und entsprechen auf der Erde etwa der Gewichtskraft, die auf eine Masse von 1 Gramm wirkt. Mn (Millinewton, 0,001 Newton) ist die übliche Einheit der Schubkraft von Ionentriebwerken. Diese Beispiele zeigen, wie Einheiten spezifisch auf bestimmte Anwendungen zugeschnitten sind.
Physikalische Größen sind messbare Merkmale, und jede physikalische Größe setzt sich immer aus Zahlenwert und Einheit zusammen. Ohne Angabe der Einheit ist eine Zahlenangabe sinnlos. Über die Einheit kann der Wert der Größe normiert werden, was Vergleiche ermöglicht und die allgemeine Verständlichkeit erhöht.
In den Naturwissenschaften kennen wir sieben Basisgrößen. Physikalische Größen und Einheiten sind eng miteinander verbunden; alle Gleichungen in den Versuchsanleitungen sind mathematische Verknüpfungen physikalischer Größen (siehe auch DIN 1313). Jede physikalische Größe ist das Produkt eines Zahlenwertes mit einer Einheit (z.B. Weg = 1 Meter oder elektrische Spannung = 1 Volt). Das älteste Verzeichnis für Kreuzworträtsellösungen kann hierbei hilfreich sein.
Jeder spezielle Wert einer Größe kann als Produkt aus Zahlenwert und Einheit dargestellt werden. Wenn sich die Einheit ändert (z.B. durch den Gebrauch einer Einheit mit Vorsatzzeichen), dann ändert sich auch der Zahlenwert. Die Kenntnis der Übersetzung für 'physikalische Einheit' in einem Deutsch-Englisch-Wörterbuch (Leo) ist ebenfalls hilfreich, einschließlich Flexionstabellen und Aussprachehilfen. Wärme (Wärmemenge) wird definiert, und Wärmestrom kann berechnet werden, wobei latente Wärme betrachtet wird. Tabellen zur Umrechnung von Energieeinheiten und kostenlose Videos unterstützen das Verständnis.
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