1. Physikalische Grundlagen
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- Hannah Bretz
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1 Lehr- und Lernmaterial / Physik für M-Kurse am Landesstudienkolleg Halle / Jörg Thurm Physikalische Grundlagen 1. Physikalische Grundlagen 1.1. Grundgrößen und ihre Einheiten Vorlesung Zusammenfassung 1. Semester / 1. Thema / 1. Lektion Übungen Im Internet zu finden unter: www. Thurm.org
2 Grundgrößen Eine physikalische Größe G ist das Produkt aus dem Zahlenwert {G}, auch Maßzahl genannt, und der (Maß-)Einheit [G]. Ein Beispiel: Spannung {U} = 20 (lies: die Maßzahl der Spannung ist 20) [U] = V (lies: die Einheit der Spannung ist Volt)
3 Referenzkörper In früheren Zeiten wurden Maßeinheiten meistens über Referenzkörper (sog. "Maßverkörperungen") definiert, die die entsprechende Eigenschaft hatten. Gut geeignet sind dazu Längenmaße, Volumen, Massen, die über Metallstäbe, Kugeln oder Hohlgefäße darstellbar sind. An repräsentativer Stelle befestigt, häufig in der Fassade des Rathauses eingemauert, ermöglichte es ein solches Maß jedem, seine eigenen Messgeräte zu eichen.
4 Einteilung physikalischer Größen Grundlage für das System der physikalischen Größen sind die Basisgrößen. In deren Definitionen wird auf keine andere Größe zurückgegriffen, es handelt sich also um elementare Größen. Alle anderen Größen werden aus diesen sieben Grundgrößen abgeleitet, stellen folglich abgeleitete Größen dar. Entsprechend werden deren Maßeinheiten aus den Maßeinheiten der Basisgrößen zusammengesetzt. Die Wahl, welche der Größen als Grundgrößen und welche als abgeleitete Größen festgelegt werden, ist in der Regel willkürlich. Es wurden im Laufe der Zeit mehrere Einheitensysteme entwickelt; international anerkannt und verwendet wird heute das Internationale Einheitensystem mit sieben Basiseinheiten, obwohl es nicht für alle Bereiche der Physik ideal geeignet ist. Üblich und zweckmäßig ist die folgende Einteilung der Grundgrößen und der daraus abgeleiteten Größen:
5 Die Länge (der Weg) Physikalische Größe Formelzeichen Länge {Weg} l, s, h Meter (m) SI-Einheit Andere Einheiten Beziehungen Seemeile (sm, n.m.) Ångström (Å) Lichtjahr (Lj, ly) Parsec (Pc) Astronomische Einheit (AE) Fuß Furlong Zoll engl. Landmeile Fathom Yard Aktuelle Definition Der Meter ist definiert als die Strecke, die das Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/ Sekunde zurücklegt. Zur Umstellung von der Länge eines standardisierten Messstabes auf die zeitbasierte kam es, weil die Messung von Zeiten zwischenzeitlich wesentlich genauer erfolgt, als die Messung von Längen. 1 sm = 1852 m 1 Pc = 3,262 Lj = AE = 3, m 1 Å = m (1 Zoll = 1" = 1/12 Fuß. = 1/36 Yard. = 0,0254 m) (1 Fathom = 6 Fuß = 1,829 m) (1 engl. Landmeile = 8 Furlong = 1609,34 m) Internationaler Meterprototyp, Standardbarren aus Platin- Iridium. Dies war der Standard bis (NIST)
6 SI-Präfixe Name Yotta Zetta Exa Peta Tera Giga Mega Kilo Hekto Deka Symbol Y Z E P T G M k h da Faktor Name Dezi Zenti Milli Mikro Nano Pico Femto Atto Zepto Yocto Symbol d c m µ n p f a z y Faktor Diese Präfixe finden Sie in Ihrer Tabelle!
7 Die Masse Physikalische Größe Masse Formelzeichen m SI-Einheit Andere Einheiten Beziehungen Kilogramm (kg) Tonne (t) Gramm (g) Pound Unze (oz/uz) metrisches Karat (ct) Aktuelle Definition Seit 1889 bildet das Urkilogramm (der Internationale Kilogrammprototyp) in Paris den Vergleichswert für die Maßeinheit Kilogramm. Seine Masse beträgt per Definitionem 1 kg. Es wird in einem Tresor des Internationalen Büros für Gewichte und Maße (BIPM) in Sèvres bei Paris aufbewahrt. 1 t = 1000 kg 1 g = 0,001 kg 1 oz = ca. 30 g 1 ct = 0,2 g Der internationale Kilogrammprototy in Paris
8 Die Zeit Physikalische Größe Formelzeichen Zeit t Sekunde (s) SI-Einheit Andere Einheiten Beziehungen Minute (min) Stunde (h) Sonnentag (d) Jahr (a) Aktuelle Definition Eine Sekunde ist definitionsgemäß das fache der Periode einer Mikrowelle, die mit einem ausgewählten Niveauübergang im Cäsiumatom in Resonanz ist. Anders gesagt: das fache der Periodendauer der dem Übergang zwischen den beiden Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes von Atomen des Nuklids 133Cs entsprechenden Strahlung. 1 Jahr (a) = 365 d 1 (Sonnen)Tag (d) = 24 Stunden (h) 1 Stunde = 60 min 1 min = 60 s Sonnenuhr In 1 ms legt das Licht eine Strecke von 299,792 km zurück. Schwingungen mit 1 ms Periodendauer haben eine Frequenz von 1 khz.
9 Die Stromstärke Physikalische Größe Elektrische Stromstärke I Formelzeichen SI-Einheit Andere Einheiten Beziehungen Ampere (A) Biot (Bi) Aktuelle Definition Seit 1946 wird das Ampere wie folgt definiert: Ein Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der, durch zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete, geradlinige, unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem, kreisförmigem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern pro 1 Meter Leiterlänge die Kraft Newton hervorrufen würde. Ein Ampere entspricht einem Fluss von 6, (54) 1018 Elementarladungen e pro Sekunde durch den Leiterquerschnitt. 1 Bi = 10 A Amperemeter
10 Die Temperatur Physikalische Größe Temperatur T Formelzeichen SI-Einheit Andere Einheiten Beziehungen Kelvin (K) Grad Celsius Grad Fahrenheit Grad Réaumur Grad Rankine Grad (grd.) Aktuelle Definition Das Kelvin wurde durch die CGPM zum ersten Mal 1954 und in der heute gültigen Form erneut 1968 definiert und als SI- Basiseinheit festgelegt: Das Kelvin, die Einheit der thermodynamischen Temperatur, ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunktes des Wassers. (amtliche Übersetzung aus dem Englischen; gemeint ist reines Wasser) Diese Definition macht keinen Unterschied zwischen der Anwendung des Kelvin für die Angabe einer absoluten Temperatur und eines Temperaturunterschieds. Thermometer
11 Die Temperatur Skala Kelvin Celsius Fahrenheit Rankine Delisle Newton Réaumur Rømer Einheit Einheitenzei chen erster Fixpunkt F 1 zweiter Fixpunkt F 2 Skalenintervall Erfinder Entstehungs -jahr Verbreitungs gebiet Kelvin Grad Celsius Grad Fahrenheit Grad Rankine Grad Delisle Grad Newton Grad Réaumur K C F Ra, R De, D N Ré, Re Rø T0 = 0 K Tt(H2O) = 273,16 K TSchm(H2O) = 0 C TSied(H2O) = 100 C Winter in Danzig¹ = 0 F TMensch¹ = 100 F (F2 -F1)/ 273,16 (F2 -F1)/ 100 (F2 -F1)/ 96 William Thomson ( Lord Kelvin ) Anders Celsius Daniel Fahrenheit T0 = 0 Ra TSied(H2O) = 0 De - TSchm(H2O) = 150 De siehe Fahrenheit William Rankine (F2 -F1) / 150 Joseph Delisle TSchm(H2 O) = 0 N TSied(H2 O) = 33 N (F2 -F1) / 33 Isaac Newton TSchm(H2O) = 0 Ré TSied(H2O) = 80 Ré Grad Rømer TSchm(H2O) = 7,5 Rø TSied(H2O) = 60 Rø (F2 -F1) / 80 (F2 -F1) / 100 René Réaumur ~ weltweit (SI- Einheit) weltweit USA, Jamaika USA Russland (19.Jhd.) - Westeuropa bis 19. Jhd. ¹ Genutzt wurde die gemessene Tiefsttemperatur des Winters 1708/1709 in Danzig (-17,8 C) und die Körpertemperatur, die Fahrenheit an sich selbst maß (37,8 C). Ole Rømer -
12 Die Stoffmenge & Die Lichtstärke Physikalische Größe Stoffmenge Lichtstärke Formelzeichen n Aktuelle Definitionen I SI-Einheit Andere Einheiten Beziehungen Mol (mol) Candela (Cd) Val (val) Hefner Kerze (HK) Ein Mol ist die Stoffmenge eines Systems, das aus ebensoviel Einzelteilchen (Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen...) besteht, wie Atome in 12 Gramm des Kohlenstoff-Nuklids 12C enthalten sind. Ein Candela ist die Lichtstärke (Lichtstromdichte) einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz, entsprechend einer Wellenlänge λ von 555 nm, mit einer Leistung von 1/683 Watt pro Steradiant (Raumeinheitswinkel) aussendet. 1 HK = 0,903 cd Hefnerkerze
13 Lehr- und Lernmaterial / Physik für M-Kurse am Landesstudienkolleg Halle / Jörg Thurm Physikalische Grundlagen Vorschau 1.2. abgeleitete Größen und Einheitengleichungen 1. Semester / 1. Thema / 2. Lektion E Im Internet zu finden unter: www. Thurm.org
14 Lehr- und Lernmaterial / Physik für M-Kurse am Landesstudienkolleg Halle / Jörg Thurm Zusammenfassung Physikalische Grundlagen 1.1. Grundgrößen und ihre Einheiten Internationales Einheitensystem (SI) Nach internationaler Vereinbarung hat man in der Physik sieben Basisgrößen (Grundgrößen) mit den zugehörigen Basiseinheiten eingeführt (1954 auf der 10. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) in Paris). Es sind dies: Basisgröße Basiseinheit Länge Meter m Masse Kilogramm kg Zeit Sekunde s Elektrische Stromstärke Thermodynamische Temperatur Ampere Kelvin Stoffmenge Mol mol Lichtstärke Candela cd Einheitenzeichen A K Seit 1960 wird diese Vereinbarung als SI (SI = Système International d'unités = Internationales Einheitensystem) bezeichnet. Die Basiseinheiten des SI wurden in Deutschland im "Gesetz über Einheiten im Messwesen", unterzeichnet am , verbindlich vorgeschrieben 1. Semester / 1. Thema / 1. Lektion Im Internet zu finden unter: www. Thurm.org
15 Lehr- und Lernmaterial / Physik für M-Kurse am Landesstudienkolleg Halle / Jörg Thurm Übung Lösen Sie das Kreuzworträtsel! 1. Semester / 1. Thema / 1. Lektion Physikalische Grundlagen Im Internet zu finden unter: www. Thurm.org
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