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Physik

Physik Grundlagen

 

Ein Vergleich von zwei Dingen erfordert stets ein Kriterium, anhand dessen der Vergleich stattfindet (tertium comparationis).

Dies muss ein Merkmal (oder Eigenschaft) sein, das beiden Dingen zu eigen ist. Als physikalische Größe bezeichnet man ein Merkmal dann, wenn dieses einen Wert besitzt, sodass das Verhältnis zweier Merkmalswerte ein reeller Zahlenfaktor ist. Ein Vergleich anhand einer Größe ist somit quantifizierbar. Den Vergleichsvorgang zur Bestimmung des Zahlenfaktors bezeichnet man als Messung.

Die Messbarkeit eines Merkmals, d. h. die Angabe einer eindeutigen und reproduzierbaren Messvorschrift für einen Vergleich, ist gleichwertig mit der Definition einer physikalischen Größe. Alle Merkmale eines Objektes fallen in zwei Klassen, physikalische Größen und alle übrigen. Wie es der Name vermuten lässt, beschäftigt sich die Physik ausschließlich mit der erstgenannten Klasse. Die Physik stellt allgemeine Zusammenhänge zwischen Größenwerten auf, also Zusammenhänge, die für alle Träger dieser Größe gelten. Als Träger bezeichnet man hierbei alle Objekte, die die betrachtete Größe als Merkmal besitzen. Physikalische Zusammenhänge sind somit unabhängig von der konkreten Beschaffenheit eines Trägers.

Die folgenden Abschnitte gehen auf einzelne Begriffe ein, die im Zusammenhang mit Größen verwendet werden.

 

Größenart

Strommesser zur Messung der Stromstärke, Maßeinheit: Ampere Thermometer zur Messung der Temperatur, Maßeinheit: Grad Celsius Wenn das Verhältnis von zwei Größenwerten verschiedener Größen eine reelle Zahl ist, so bezeichnet man diese Größen als Größen gleicher Dimension. Mit der Größenart wird versucht, den Begriff der Dimension weiter zu unterteilen. Mit der Forderung nach Vergleichbarkeit ist hierbei also kein striktes Merkmal – etwa im Sinne mathematischer Ordnungsrelationen – gemeint, sondern es bleibt der Willkür überlassen, was als vergleichbar angesehen wird. Beispielsweise sind Breite, Höhe und Länge eines Quaders, Durchmesser eines Rohrs, Spannweite eines Vogels, Wellenlänge usw. alles Größen der Größenart „Länge“. Sie können alle mit der Länge eines Zollstocks verglichen werden. Ob auch noch die Niederschlagshöhe, angegeben als Volumen/Fläche, als hierzu gleichartig betrachtet wird, bleibt der Betrachtungsweise der Anwender überlassen, obwohl sie leicht mit dem Zollstock messbar ist. Andere Beispiele scheinen klarer. Obwohl Verbrauchsangaben von Kraftfahrzeugen in „Liter/100 km“ die Dimension einer Fläche haben, wird kaum jemand derartige Verbrauchsangaben und Flächen als gleichartige Größen betrachten, obwohl das möglich ist.

 

Größenwert

Der Wert einer physikalischen Größe (Größenwert) ist nach allgemein verbreiteter Auffassung das Produkt aus einer Zahl und der physikalischen Einheit, die der betreffenden Größenart zugeordnet ist. Das Verhältnis von zwei Größenwerten gleichartiger Größen ist eine reelle Zahl. Sie werden dann zweckmäßigerweise als symbolische „Produkte“ aus den Zahlenwerten (Maßzahlen) und den Einheiten aufgefaßt gemäß der Gleichung Physikalische Größe = Zahlenwert „mal“ Einheit. Man bezeichnet einen Unterschied um den Faktor 10 zwischen Werten derselben Größe als eine Größenordnung. n Größenordnungen entsprechen also einem Verhältnis von 10^n. Es gibt eine Reihe von Größen, deren Größenwerte unveränderlich feststehen.

Diese nennt man Naturkonstante, Universalkonstante oder auch physikalische Konstante (Beispiele: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, Elementarladung, Plancksche Konstante, Feinstrukturkonstante).

 

Zahlenwert und Einheit

Es ist zweckmäßig, das Verhältnis eines Größenwerts zu dem Wert einer gleichartigen, feststehenden und wohldefinierten Vergleichsgröße zu ermitteln. Den Vergleichsgrößenwert bezeichnet man als Maßeinheit oder kurz Einheit, das gemessene Verhältnis als Maßzahl oder Zahlenwert. Der Größenwert kann dann als Produkt aus Zahlenwert und Einheit dargestellt werden (siehe auch Abschnitt Schreibweise). Der Zahlenwert ist je nach Definition der Größe eine reelle Zahl – bei manchen Größen auf nicht negative Werte beschränkt – oder komplex; bei einigen dimensionslosen Größen wie z. B. manchen Quantenzahlen ist er immer ganzzahlig. Die Definition einer Einheit unterliegt der menschlichen Willkür. Eine Möglichkeit besteht in der Wahl eines bestimmten Objekts – eines sogenannten Normals – als Träger der Größe, dessen Größenwert als Einheit dient. Eine andere Möglichkeit ist einen berechneten Größenwert zu nehmen, wofür allerdings ein geeigneter physikalischer Zusammenhang zu anderen Größenwerten bekannt sein muss (siehe auch Abschnitt Größengleichungen). Eine dritte Möglichkeit ist, den Wert einer physikalischen Konstanten als Einheit zu verwenden, sofern eine solche für die gewünschte Größe existiert. Theoretisch ist es ausreichend, eine einzige Einheit für eine Größenart zu definieren. Historisch bedingt hat sich aber häufig eine Vielzahl verschiedener Einheiten für die gleiche Größenart gebildet. Diese unterscheiden sich wie alle gleichartigen Größenwerte lediglich um einen reinen Zahlenfaktor.

 

SI-Basisgrößen und -einheiten

Basisgröße

Formelzeichen

Symbol für Dimension

Basiseinheit

Einheitenzeichen

Länge

, , , , etc.

L

Meter

Masse

M

Kilogramm

Zeit

T

Sekunde

elektrische Stromstärke

I

Ampere

Absolute Temperatur (auch thermodynamische Temperatur)

θ

Kelvin

Stoffmenge

N

Mol

Lichtstärke

J

Candela


Abgeleitete SI-Einheiten mit besonderem Namen

Größe

Einheit

Einheiten-
zeichen

in anderen SI-Einheiten
ausgedrückt

in SI-Basiseinheiten
ausgedrückt[N 1]

ebener Winkel

Radiant

rad

1

m/m

Raumwinkel

Steradiant

sr

1

m²/m²

Frequenz

Hertz

Hz


1/s

Kraft

Newton

N

J/m

m·kg·s−²

Druck

Pascal

Pa

N/m2

m−1·kg·s−²

Energie, Arbeit, Wärmemenge

Joule

J

N·m; Ws

m2·kg·s−²

Leistung

Watt

W

J/s; VA

m2·kg·s−²

elektrische Ladung

Coulomb

C


A·s

elektrische Spannung
(elektrische Potentialdifferenz)

Volt

V

W/A

m²·kg·s−³·A−1

elektrische Kapazität

Farad

F

C/V

m−²·kg−1·s4·A²

elektrischer Widerstand

Ohm

Ω

V/A

m²·kg·s−³·A−²

elektrischer Leitwert

Siemens

S

1/Ω

m−²·kg−1·s³·A²

magnetischer Fluss

Weber

Wb

V·s

m²·kg·s−²·A−1

magnetische Flussdichte,
Induktion

Tesla

T

Wb/m2

kg·s−²·A−1

Induktivität

Henry

H

Wb/A

m²·kg·s−²·A−²

Celsius-Temperatur

Grad Celsius

°C


K

Lichtstrom

Lumen

lm

cd·sr

cd

Beleuchtungsstärke

Lux

lx

lm/m2

m−²·cd

Radioaktivität

Becquerel

Bq


1/s

Energiedosis

Gray

Gy

J/kg

m²·s−²

Äquivalentdosis

Sievert

Sv

J/kg

m²·s−²

katalytische Aktivität

Katal

kat


s−1·mol


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