Grundlagen / Größen & Messen
Physikalische Größen und Einheiten
Zahlenwert mal Einheit: warum eine Angabe ohne Einheit in der Physik nichts bedeutet, und wie man sicher umrechnet.
Benötigte Grundlagen
Dieses Vorwissen brauchst du für das Kapitel. Schau kurz nach, wenn dir etwas davon nicht mehr präsent ist, sonst leg direkt los.
Einführung
„Ich bin 165." Groß? Schwer? Alt? Reich? Erst die Einheit macht aus einer Zahl eine Aussage: ist eine Körpergröße, wäre etwas ganz anderes.
Genau deshalb schreibt man in der Physik nie eine nackte Zahl hin. Und das ist keine Formsache: Die NASA hat 1999 eine Marssonde verloren, weil ein Team in Pfund und das andere in Newton rechnete. Die Zahlen stimmten, die Einheiten nicht, die Sonde ist verglüht.
Das kannst du nach diesem Kapitel
erklären, woraus eine physikalische Größe besteht (Zahlenwert und Einheit).
Formelzeichen und Einheitenzeichen der Grundgrößen zuordnen.
die Vorsätze von Mikro bis Mega sicher benutzen.
Einheiten umrechnen, auch bei Flächen und Volumen.
Ergebnisse mit einer Überschlagsrechnung auf Plausibilität prüfen.
Der Aufbau jeder physikalischen Größe
Eine physikalische Größe ist eine messbare Eigenschaft. Sie wird immer nach demselben Muster angegeben:
Zum Beispiel . Das ist wörtlich zu nehmen: Die Länge ist zweieinhalb mal die Einheit Meter. Der Meter ist ein festgelegtes Vergleichsstück, und die Zahl sagt, wie oft es hineinpasst.
Aus dieser Lesart folgt sofort etwas Praktisches: Man darf mit Einheiten rechnen wie mit Faktoren. funktioniert genau deshalb.
Jede Größe hat außerdem ein Formelzeichen (ein kursiver Buchstabe) und ein Einheitenzeichen:
| Größe | Formelzeichen | Basiseinheit | Einheitenzeichen |
|---|---|---|---|
| Länge | Meter | m | |
| Kilogramm | kg | ||
| Zeit | Sekunde | s | |
| Temperatur | Kelvin | K | |
| Stromstärke | Ampere | A |
Diese fünf gehören zu den sieben Basisgrößen des Internationalen Einheitensystems (SI). Alle anderen Einheiten lassen sich aus ihnen zusammensetzen, zum Beispiel die Geschwindigkeit als .
Achtung bei : Dasselbe Zeichen steht kursiv für die Größe Masse () und aufrecht für die Einheit Meter (m). Aus und wird das im Zusammenhang immer klar.
Die Zerlegung sieht selbstverständlich aus, und genau darin liegt die Falle: In der Klassenarbeit verschwindet die Einheit als Erstes. Der Zahlenwert sagt wie viele, die Einheit sagt wovon, ohne sie ist 2,5 keine Länge, sondern gar nichts.
Vorsätze: Zehnerpotenzen mit Namen
Ein Bakterium ist groß, die Strecke Erfurt-Berlin . Solche Zahlen sind unlesbar. Deshalb setzt man Vorsätze vor die Einheit, die für einen Faktor stehen:
| Vorsatz | Zeichen | Faktor | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Mega | M | ||
| Kilo | k | ||
| Hekto | h | ||
| Dezi | d | ||
| Zenti | c | ||
| Milli | m | ||
| Mikro | µ |
Ein Vorsatz ersetzt keine Einheit, er multipliziert sie. „" heißt wörtlich „".
Auf der Skala sieht man, was eine Tabelle verbirgt: Die gebräuchlichen Vorsätze sitzen in gleichmäßigen Abständen von je drei Zehnerpotenzen. Ein Schritt nach rechts ist deshalb immer derselbe Sprung, mal tausend. Wer sich diese Ordnung merkt, muss die Vorsätze nicht einzeln lernen.
Umrechnen ohne Ratespiel
Wer sich fragt „mal tausend oder geteilt durch tausend?", hat meist keine Regel, sondern ein Gefühl. Die sichere Methode ist das Ersetzen:
Schreibe den Vorsatz als Faktor hin und rechne aus.
Das funktioniert immer und in beide Richtungen, ohne dass man sich merken muss, wo das Komma hinwandert.
Zur Kontrolle gibt es noch eine zweite Sicherung, die Plausibilitätsprüfung: Eine kleinere Einheit braucht eine größere Zahl für dieselbe Länge. in Metern muss also eine größere Zahl als ergeben. Kommt heraus, war es die falsche Richtung.
Flächen und Volumen: die Falle mit dem Quadrat
Beim Umrechnen von Flächen und Volumen tut sich der häufigste Fehler des ganzen Kapitels auf. Denn bedeutet , und wenn man jede Seite umrechnet, wirkt der Faktor zweimal:
Beim Volumen entsprechend dreimal:
Der Umrechnungsfaktor ist also nicht , sondern beziehungsweise . Wer sich das Bild eines Quadratmeters vorstellt, das in Zentimeterkästchen zerfällt, muss diese Zahlen nie auswendig lernen.
Praktisch wichtig ist außerdem: und . Ein Liter ist also genau ein Würfel mit Kantenlänge.
Zähl die Felder nach, bevor du weiterliest: Es sind hundert, obwohl die Kante nur zehnmal so lang ist wie ein Dezimeter. Daraus folgt die Regel, nicht umgekehrt. Beim Volumen zählt der Faktor entsprechend dreimal: 1 m³ sind 1000 dm³.
Umrechnen mit der Ersetzungsmethode
Rechne um: a) in m b) in m c) in mm d) in g
- 1
a) k durch ersetzen:
Kontrolle: Meter ist kleiner als Kilometer, also muss die Zahl größer werden. , passt.
- 2
b) c durch ersetzen:
Kontrolle: Meter ist größer als Zentimeter, also muss die Zahl kleiner werden. Passt.
- 3
c) Hier geht es andersherum. Gesucht ist die Zahl mit , also .
- 4
d)
a) b) c) d) . In allen vier Fällen dieselbe Methode, kein einziges Mal geraten.
Eine Fläche und ein Volumen umrechnen
Ein Zimmer ist lang, breit und hoch. Gib die Grundfläche in und das Raumvolumen in Litern an.
- 1
Grundfläche in berechnen:
- 2
In umrechnen. Der Umrechnungsfaktor ist zum Quadrat, weil beide Seitenlängen umgerechnet werden:
- 3
Volumen in berechnen:
- 4
In Liter umrechnen. Ein Liter ist ein Kubikdezimeter, und in einen Kubikmeter passen Kubikdezimeter:
Grundfläche , Raumvolumen . Die Liter Luft wiegen übrigens etwa , was man mit der im nächsten Kapitel selbst nachrechnen kann.
Typischer Fehler
„, weil ist."
Der häufigste Fehler beim Umrechnen, und er lässt sich mit einem Bild ein für alle Mal ausräumen.
Ein Quadratmeter ist ein Quadrat mit Kantenlänge. Zeichne es und teile jede Kante in Zentimeter. Dann liegen darin Reihen zu je Kästchen von einem Quadratzentimeter, also
wären dagegen nur ein Streifen von zehn mal zehn Zentimetern, also etwa eine Postkarte. Dass eine Postkarte kein Quadratmeter ist, sieht man sofort.
Die Regel dahinter: Beim Umrechnen wirkt der Faktor so oft, wie die Einheit Dimensionen hat. Länge einmal, Fläche zweimal, Volumen dreimal.
Übung 1
leichtRechne um:
a) in m b) in m c) in g d) in s e) in min
Tipp anzeigen
Vorsatz durch seinen Faktor ersetzen. Bei e) beachte, dass die Zeit nicht dezimal aufgebaut ist.
Lösung anzeigen
a)
b)
c)
d)
e) Die Zeit ist die Ausnahme ohne Zehnerpotenzen: , also .
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht: fünf Größen, fünf Zieleinheiten
Gegeben sind fünf Werte mit Vorsatz-Einheit, gesucht ist derselbe Wert in einer anderen Einheit. Es ändert sich also nur die Schreibweise, nicht die Größe selbst, der Schulweg wird durch das Umrechnen nicht länger.
- 2
Das Werkzeug: Vorsatz durch seinen Faktor ersetzen
Jeder Vorsatz ist eine Abkürzung für einen Faktor: steht für , für , für . Man ersetzt den Vorsatz durch seinen Faktor und rechnet ganz normal weiter.
- 3
a) bis d): die vier Zehnerpotenz-Fälle
Bei jedem Fall wird der Vorsatz durch seinen Faktor ersetzt und dann multipliziert.
· · ·
- 4
e) Die Zeit ist die Ausnahme
Bei der Zeit gibt es keine Zehnerpotenzen: sind , nicht . Deshalb wird hier mit multipliziert.
Zwischenergebnis
- 5
Ergebnisse prüfen: passen die Größenordnungen?
Schulweg, ein langer Raum, Mehl, und , alle fünf Werte sind Größen, die man sich vorstellen kann. Genau das ist die Kontrolle.
Übung 2
mittela) Ein Blatt Papier misst . Wie groß ist seine Fläche in und in ?
b) Ein Aquarium ist lang, breit und hoch. Wie viele Liter Wasser fasst es?
Tipp anzeigen
b) . Es lohnt sich, vorher in Dezimeter umzurechnen.
Lösung anzeigen
a)
Umrechnung in : , also
b) Zuerst alles in Dezimeter, dann ist das Ergebnis direkt in Litern:
Der Umweg über Dezimeter spart die Umrechnung von in Liter, bei der man leicht um den Faktor danebenliegt.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Gegeben und Gesucht sortieren
a) Gegeben sind zwei Längen ( cm und cm), gesucht ist eine Fläche, einmal in , einmal in . b) Gegeben sind drei Längen, gesucht ist ein Volumen in Litern.
- 2
Die passenden Formeln, und warum sie hier gelten
Blatt und Aquarium sind Rechteck und Quader; für sie gilt und . Beide Formeln setzen rechte Winkel voraus, und die sind hier gegeben.
- 3
a) Die Fläche in Quadratzentimetern
Die beiden Längen werden multipliziert, die Einheit dabei ebenfalls, aus wird .
Zwischenergebnis
- 4
a) Von Quadratzentimetern nach Quadratmetern: der Faktor steckt zweimal drin
, und weil eine Fläche aus zwei Längen besteht, gilt . Also wird durch geteilt.
Zwischenergebnis
- 5
b) Der Umweg über Dezimeter
Weil gilt, rechnet man zuerst alle Kanten in Dezimeter um. Dann steht das Ergebnis unmittelbar in Litern, ohne eine zweite Umrechnung.
Zwischenergebnis
- 6
Ergebnisse prüfen und deuten
sind rund sechs Hundertstel Quadratmeter, für ein DIN-A4-Blatt passt das, denn solcher Blätter ergeben etwa einen Quadratmeter. Und Liter sind für ein Aquarium dieser Größe eine glaubwürdige Menge.
Übung 3
schwerIn einem Protokoll stehen vier Ergebnisse. Prüfe jedes auf Plausibilität, finde den Fehler und gib den richtigen Wert an.
a) Schulweg:
b) Klassenzimmerfläche:
c) eines Apfels:
d) Trinkmenge pro Tag:
Tipp anzeigen
Prüfe zuerst mit dem gesunden Menschenverstand, dann mit der Ersetzungsmethode.
Lösung anzeigen
a) Falsch. wäre die Länge eines Klassenzimmers, kein Schulweg. Richtig: . Der Fehler war ein um zwei Stellen verschobenes Komma.
b) Falsch. sind etwa , also eine Tischplatte. Richtig: . Der Fehler war der Faktor statt , also die Quadrat-Falle.
c) Falsch. ist weniger als ein Sandkorn. Richtig: oder . Hier wurde kg mit mg verwechselt.
d) Richtig. , also sind . Das entspricht einem Würfel von etwa Kantenlänge, was für zwei Liter gut hinkommt.
Detaillierte Schritterklärung anzeigen
Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.
✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.
- 1
Zwei Prüfungen, in dieser Reihenfolge
Zuerst der Plausibilitätsblick: Passt der Wert zu etwas, das man kennt? Danach erst die Ersetzungsmethode, die den Fehler genau benennt. Die erste Prüfung findet den Verdacht, die zweite liefert den Beweis.
- 2
a) und c): verschobenes Komma, verwechselter Vorsatz
a) wäre die Länge eines Klassenzimmers, kein Schulweg. Richtig ist . c) ist weniger als ein Sandkorn; richtig sind oder .
- 3
b) Die Quadrat-Falle
. Beim Umrechnen in gilt aber , also . Im Protokoll stand der Faktor .
Zwischenergebnis
- 4
d) prüfen und deuten: drei falsch, eine richtig
d) stimmt: , also sind . Das entspricht einem Würfel von etwa Kantenlänge, für zwei Liter eine glaubwürdige Größe.
Zusammenfassung
Eine physikalische Größe ist immer Zahlenwert mal Einheit, und genau deshalb darf man mit Einheiten rechnen wie mit Faktoren. Vorsätze wie Kilo, Zenti oder Milli sind nichts anderes als Zehnerpotenzen mit Namen; wer sie beim Umrechnen durch ihren Faktor ersetzt, muss nie raten, in welche Richtung das Komma wandert. Bei Flächen wirkt dieser Faktor zweimal, bei Volumen dreimal, weshalb ein Quadratmeter zehntausend und nicht hundert Quadratzentimeter hat. Zwei Kontrollen begleiten jede Rechnung: Kleinere Einheit bedeutet größere Zahl, und das Ergebnis muss zu den Vergleichsgrößen des Alltags passen.


