Physik - Beutung physikalischer Größen

Die Bedeutung physikalischer Größen

Der Begriff "physikalische Größe" ist nicht leicht zu verstehen. Dies trifft auch auf viele Formulierungen in der wissenschaftlichen Literatur zu. Mit einer physikalischen Größe beschreiben Sie eine einzelne Eigenschaft eines Objektes oder eines physikalischen Phänomens.

• Physikalische Größen können Sie immer quantifizieren, also mit einem vorgegebenen Wert vergleichen. Länge oder Temperatur sind derartige Größen, Schönheit oder Komfort jedoch nicht.
• Da es unzweckmäßig ist, die Namen der Größen beispielsweise in einer Formel auszuschreiben, hat man sich auf bestimmte Formelzeichen oder Symbole geeinigt. Dabei handelt es sich um große oder kleine, manchmal auch (historisch bedingt) um griechische Buchstaben. So steht beispielsweise F für Kraft und m für die Masse eines Körpers.
• Zu jeder physikalischen Größe gehören gesetzlich festgelegte Einheiten, in denen Sie diese messen. Das Urmeter in Paris stellt solch eine Einheit für die Größe "Länge" dar, auch wenn es heute keine Gültigkeit mehr hat.
• Auch Einheiten haben Abkürzungen, die Sie vor Zahlenwerten verwenden. So bedeutet beispielsweise die Angabe m = 1kg, dass ein Körper eine Masse von einem Kilogramm hat.

Physikalische Größen beschreiben also quantifizierbare Eigenschaften. Sie sind gekennzeichnet durch ein Formelzeichen, sowie durch eine Einheit, in der Sie sie messen. Salopp ausgedrückt gilt: Größe = Zahlenwert x Einheit

Die sieben Basisgrößen

Im internationalen Maß- und Größensystem wurden sieben Basisgrößen inklusive ihrer gesetzlichen Einheiten (den sogenannten SI-Einheiten) festgelegt. Alle anderen im Alltag und in der Wissenschaft benutzten Größen leiten Sie von diesen ab. Dabei handelt es sich um Länge, Masse, Zeit, Stromstärke, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke. Deren Definition und Bedeutung sollen im Folgenden kurz umrissen werden:

1. Die Länge eines Objektes bezeichnet man mit dem Buchstaben s oder l. Als internationale Einheit haben Sie das Meter (m). Sie schreiben s = 2 m. Der Meter wurde ursprünglich aus der Entfernung von Äquator zum Pol abgeleitet und später durch den speziell geformten Platin-Iridium-Stab, der genannte Urmeter, festgelegt. Heute bestimmt sich die Maßeinheit "Meter" als eine Strecke, die das Licht im Vakuum in einer bestimmten, sehr kurzen Zeit zurücklegt. Damit ist das Meter an die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit als Naturkonstante gebunden.
2. Die Masse eines Objektes bezeichnen Sie mit dem Buchstaben m. Als internationale Einheit gilt das Kilogramm (kg). In der Umgangssprache verwendet man Masse und Gewicht synonym. Sie schreiben m = 2 kg. Das Urkilogramm als Prototyp definiert diese Einheit. Allerdings sind derzeit Bestrebungen im Gange, auch das Kilogramm an Naturkonstanten anzuschließen.
3. Die Zeit wird mit dem Buchstaben t abgekürzt. Als internationale Einheit wird die Sekunde (s) gewählt. Sie schreiben t = 5 s. Ursprünglich war die Sekunde Teil eines mittleren Sonnentages, bezog sich also auf die Erdrotation. Da diese unregelmäßigen Schwankungen unterliegt, ist sie als Zeitnormale ungeeignet. Heute leitet man die Sekunde atomphysikalisch aus der Schwingungsfrequenz eines Caesiumatoms (Stichwort: Atomuhr) ab.
4. Die Stromstärke kürzen Sie mit dem Buchstaben I ab. Die internationale Einheit ist das Ampere (A) zu Ehren des Physikers Andre Marie Ampère. Sie schreiben I = 2,5 A. Die Einheit leitet sich aus einer Kraft ab, die zwei parallele stromdurchflossene Leiter aufeinander ausüben.
5. Die Temperatur wird mit dem Großbuchstaben T abgekürzt. Die gesetzliche Temperatureinheit ist das im Alltag kaum übliche Kelvin (K). Sie schreiben also T = 250 K, ein Gradzeichen verwenden Sie nicht. Es gilt die Umrechnung in die übliche Celsius-Skala: °C = K - 273,15. Wohlige 22 °C Zimmertemperatur entsprechen also T = 295,15 K. Die Definition des Kelvin lehnt sich an den Tripelpunkt des Wassers an, eine feste Temperatur, bei der Wasser fest, flüssig und gasförmig vorliegt.
6. Die Stoffmenge kürzen Sie mit dem Buchstaben n ab. Vorwiegend die Chemie nutzt diese Größe. Ihre Einheit ist das Mol (mol). Chemiker schreiben n = 2 mol, wenn Sie beispielsweise über eine bestimmte Menge von Wasserstoff sprechen. Es ist vorgesehen, das Mol über die sogenannte Avogadro-Zahl zu definieren.
7. Die Lichtstärke wird mit dem Buchstaben I (Vorsicht, Verwechslung mit Stromstärke möglich) oder J abgekürzt. Die Einheit ist die Candela (cd). Sie schreiben J = 0,5 cd. Seit 1979 wird diese Einheit über eine Strahlungsquelle bestimmter Frequenz und Leistung definiert.

Abgeleitete Größen - Beispiele aus der Physik

Aus diesen sieben Grund- oder Basisgrößen können Sie unzählige weitere Größen, nicht nur in der Physik, ableiten. Einige wichtige Beispiele seien hier inklusive ihrer Formel vorgestellt:

• In der Mechanik haben Sie es häufig mit Bewegungen zu tun. Diese lassen sich durch eine Geschwindigkeit v beschreiben, bzw. eine Beschleunigung a. Sie berechnen als mittlere Geschwindigkeit v = s/t, also zurückgelegter Weg durch Zeit. Als Einheit erhalten Sie Meter pro Sekunde (m/s), bzw. die im Alltag üblichen Kilometer pro Stunde (km/h). Für die mittlere Beschleunigung gilt a = v/t in der Einheit m/s². Die Erdbeschleunigung hat zum Beispiel den Wert a = 9,81 m/s². Man bezeichnet sie mit einem eigenen Buchstaben, dem kleinen g.
• Auslöser von Bewegungen sind Kräfte. Die schon von Newton gefundene Grundgleichung der Mechanik ist F = m x a. Über diese Formel ist auch die Krafteinheit "Newton" (N) in Relation zu den Basiseinheiten definiert.
• In der Elektrizitätslehre gibt es zahllose physikalische Größen, die sich aus den Grundgrößen ableiten lassen. So ist beispielsweise die Ladung Q, die durch einen Leiter fließt, definiert als Q = I x t. Für ihre Einheit Coulomb (C) erhalten Sie dann C = As.
• Die Einheit der Energie E ist das Joule (J). Über den Zusammenhang Energie = geleistete Arbeit = Kraft x Weg, können Sie die Einheit Joule ebenfalls an das internationale Einheitensystem anschließen. Es gilt 1 J = 1 Nm = 1 kg*m²/s², zweifelsohne ein nicht leicht zu merkender Bruch. 

Im Bereich der Größen hat alles seine Ordnung. Es gibt sieben Basisgrößen mit ihren gesetzlich definierten Einheiten. Alle anderen Größen, die in der Wissenschaft und auch im Alltag Bedeutung haben, können Sie aus diesen Grundgrößen mithilfe einer Formel ableiten.