Physik
Klasse
5-Oberstufe
Physikalische Größen
Kennzeichnung physikalische Größen
Wie jeder andere Fachbegriff wird eine physikalische Größe durch ihre Bedeutung gekennzeichnet. Die Bedeutung der Größe gibt an, welche Eigenschaft der Objekte beschrieben wird.
Beispiele:
Die Geschwindigkeit gibt an, wie schnell oder langsam sich ein Körper bewegt.
Die Schwingungsdauer eines Fadenpendels gibt an, wie lange das Pendel für eine Hin- und Herbewegung braucht.
Die Kapazität eines Kondensators gibt an, wie groß sein Speichervermögen für elektrische Ladung ist.
Neben der Bedeutung der Größe kann für ein konkretes Objekt auch der Ausprägungsgrad der Eigenschaft gemessen und angegeben werden. Man nennt diesen Ausprägungsgrad auch Wert der Größe. Er wird in Form einer Maßzahl und einer Einheit (Maßeinheit) angegeben.
Beispiel: Die Einheit der Geschwindigkeit ist ein Meter je Sekunde (1 m/s). Für ein Auto kann dann der Wert der Größe angegeben werden, z.B.: Die Geschwindigkeit beträgt 20 m/s. 20 ist die Maßzahl, m/s die Einheit.
Genauere Hinweise zu den Einheiten sind unter dem Stichwort „Einheiten physikalischer Größen“ zu finden.
Außerdem ist für jede Größe ein Formelzeichen als Abkürzung festgelegt, manchmal auch zwei. Darüber hinaus gehört zur vollständigen Charakterisierung einer Größe die Angabe eines Messgerätes oder eines Messverfahrens zur Bestimmung des Wertes der Größe.
Beispiel: Für die Geschwindigkeit ist das Formelzeichen v vereinbart. Die Lichtgeschwindigkeit wird mit c bezeichnet. Man kann die Geschwindigkeit mithilfe von Tachometern direkt messen oder durch Weg- und Zeitmessung ermitteln.
In der nachfolgenden Übersicht sind einige weitere Beispiele für die Kennzeichnung von Größen genannt.
| Größe | Temperatur | Dichte |
| Formelzeichen | ||
| Bedeutung | Die Temperatur gibt an, wie warm oder kalt ein Körper ist. | Die Dichte gibt an, welche Masse ein Kubikzentimeter eines Stoffes hat. |
| Einheiten | ein Grad Celsius (1 °C) ein Kelvin (1 K) | ein Gramm durch Kubikzentimeter |
| Messgerät | Thermometer | Aräometer (Dichtemesser) |
| Berechnung |
Vektorielle und skalare Größen
In der Physik unterscheidet man Größen, die von ihrer Richtung abhängig sind, von richtungsunabhängigen Größen.
Solche Größen, bei denen die messbare Eigenschaft sowohl durch einen Betrag als auch durch eine Richtung gekennzeichnet ist, nennt man gerichtete Größen oder vektorielle Größen. Beispiele für solche vektoriellen Größen sind Kraft, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Impuls (Bild 3) oder elektrische Feldstärke.
Gerichtete oder vektorielle Größen werden mit einem Pfeil über dem Formelzeichen gekennzeichnet.
Beispiele:
| Kraft | |
| Geschwindigkeit | |
| Beschleunigung |
In Skizzen werden sie als Pfeile dargestellt (Bild 3).
Grafische Darstellung einer vektoriellen Größe
Bei der Addition oder Subtraktion vektorieller Größen ist ihre Richtung zu beachten. Haben zwei vektorielle Größen die gleiche Richtung, so hat auch die resultierende Größe diese Richtung. Die Beträge addieren sich (Bild 4). Haben die beiden Größen die entgegengesetzte Richtung, so subtrahieren sich die Beträge voneinander. Die Richtung der resultierenden Größe hängt davon ab, welche der beiden Größen den größeren Betrag hat.
Sollen dagegen vektorielle Größen addiert werden, die unterschiedliche Richtungen haben, so muss man die Richtungen jeder einzelnen Größe beachten. Die resultierende vektorielle Größe kann man durch geometrische Addition in einer Zeichnung ermitteln.
Addition zweier vektorieller Größen
Fertigt man eine maßstäbliche Zeichnung an, so kann man aus dieser Zeichnung neben der Richtung auch den Betrag der resultierenden Größe ermitteln. Dieses Verfahren nennt man auch Superpositionsprinzip vektorieller Größen.
Den Betrag der resultierenden vektoriellen Größe kann man auch rechnerisch ermitteln. Ein Beispiel ist unter dem Stichwort „Kräftezusammensetzung“ zu finden.
Für eine Reihe von Anwendungen genügt es, mit den Beträgen der vektoriellen Größen zu rechnen. Das ist vor allem dann möglich und sinnvoll, wenn man nur mit einer vektoriellen Größe arbeitet oder wenn die Größen gleiche oder entgegengesetzte Richtung haben. Für den Betrag einer Größe schreibt man das Formelzeichen ohne den Pfeil darüber oder man setzt das Formelzeichen mit Pfeil in Betragsstriche:
Solche Größen, bei denen die messbare Eigenschaft nur durch einen Betrag gekennzeichnet ist, nennt man ungerichtete Größen oder skalare Größen. Beispiele für solche skalaren Größen sind Masse, Temperatur, Druck, Dichte oder Energie.
Misst man z. B. in einer Flüssigkeit in einer bestimmten Tiefe den Druck, dann stellt man fest: Der Druck ist in einer bestimmten Tiefe immer gleich groß, unabhängig davon, in welche Richtung man die Mess-Sonde dreht (Bild 5). Entsprechendes gilt auch für die Temperatur eines Körpers und für andere skalare Größen.
Die quantitative Angabe von skalaren Größen erfolgt durch Maßzahl und Einheit, also z. B. in folgender Form:
m = 4,7 kg
p = 101 kPa
Bei den meisten skalaren Größen kann man die Beträge der einzelnen Größen addieren. Werden z. B. eine Masse von 100 g Mehl und 50 g Zucker zusammengeschüttet, so erhält man die Gesamtmasse durch Addition:
m = 100 g + 50 g
m = 150 g
Entsprechendes gilt auch für die Subtraktion skalarer Größen.
Hinweis: Die obige Aussage gilt z.B. nicht allgemein für das Volumen. Gibt man zu einem Liter Wasser 2 Liter Wasser hinzu, so erhält man 3 Liter. Mischt man aber 1 Liter Wasser mit 1 Liter Alkohol, so beträgt das Volumen der Mischung weniger als 2 Liter.
Zustands- und Prozessgrößen
Physikalische Größen kann man danach unterscheiden, ob sie den Zustand eines Körpers bzw. eines Systems oder ob sie einen Vorgang bzw. Prozess kennzeichnen. Solche Größen, die den Zustand eines Körpers bzw. eines physikalischen Systems kennzeichnen, bezeichnet man als Zustandsgrößen. Beispiele für Zustandsgrößen sind die Energie E eines Körpers, die Temperatur T in einem Raum, der Druck p im Zylinder eines Verbrennungsmotors oder der Impuls p eines Körpers.
Solche Größen, die einen Vorgang bzw. einen Prozess kennzeichnen, nennt man Prozessgrößen. Beispiele für solche Prozessgrößen sind die Wärme Q, die Arbeit W oder der Kraftstoß I.
Die Wärme Q beschreibt den Vorgang der Energieübertragung zwischen Körpern, die Arbeit W den Vorgang, dass durch eine Kraft ein Körper bewegt oder verformt wird, der Kraftstoß I die kurzzeitige Beeinflussung eines Körpers durch eine Kraft.
Erhaltungsgrößen
Es gibt einige physikalische Größen, die in einem abgeschlossenen physikalischen System konstant sind und für die in einem solchen abgeschlossenen System ein Erhaltungssatz gilt. Solche physikalischen Größen werden als Erhaltungsgrößen bezeichnet. Beispiele dafür sind die Masse m (in der klassischen Physik), die Energie E , der Impuls p, der Drehimpuls L oder die elektrische Ladung Q. So gilt z. B. in einem abgeschlossenen System der Energieerhaltungssatz:
| Die Energie in einem abgeschlossenen System ist konstant. Es gilt: |
Wechselwirkungsgrößen
Es gibt einige physikalische Größen, die die Wechselwirkung zwischen Körpern oder zwischen Systemen beschreiben. Solche physikalischen Größen werden als Wechselwirkungsgrößen bezeichnet. Eine typische Wechselwirkungsgröße ist die Kraft. Sie gibt an, wie stark zwei Körper aufeinander einwirken.
Die Kräfte, die auf zwei wechselwirkende Körper wirken, sind immer gleich groß und entgegengesetzt gerichtet.
Auch die mechanische Arbeit W oder die Wärme Q können als Wechselwirkungsgrößen aufgefasst werden, da sie die Wechselwirkung zwischen Körpern bzw. Systemen beschreiben.
Stoffkonstanten und Naturkonstanten
Stoffkonstanten wie z.B. die Dichte eines Stoffes, sein spezifischer elektrischer Widerstand oder seine Siedetemperatur sind ebenfalls physikalische Größen, die aber die spezifischen Eigenschaften von Stoffen kennzeichnen.
Das Analoge gilt für Naturkonstanten, z.B. für die Gravitationskonstante oder die Vakuumlichtgeschwindigkeit. Auch solche Naturkonstanten sind physikalische Größen mit dem spezifischen Charakter, dass sie einen bestimmten, durch natürliche Bedingungen gegebenen Wert haben. Weitere Beispiele sind unter dem Stichwort „Naturkonstanten“ zu finden.
Messgerät Formelzeichen Prozeßgrößen Richtung messbare Eigenschaften Stoffkonstanten Maßeinheit Einheit Physikalische Größen Betrag gerichtete Größen vektorielle Größen ungerichtete Größen nicht gerichtete Größen Maßzahl Superpositionsprinzip Prozessgrößen Betrag einer Größe skalare Größen Erhaltungsgrößen Wechselwirkungsgrößen Zustandsgrößen Bedeutung der Größe Wert der Größe Naturkonstanten Messverfahren Fachbegriffe Animation
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