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Lernmaterialien für VPhysik an der Universität Graz

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TESTE DEIN WISSEN

Physikalisches Experimentieren (lesen)

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TESTE DEIN WISSEN

Versuche, die unter gleichen Bedingungen stets gleiche Ergebnisse liefern, bilden die Basis für das Formulieren von Gesetzmäßigkeiten und für technische Anwendungen. Lassen sich physikalische Vorgänge unter gleichen Bedingungen zu jeder Zeit wiederholen, so lassen sich nach Auswertung der Ergebnisse allgemein gültige Aussagen formulieren. Die Darstellung physikalischer Gesetze (Ursache und Wirkung) kann qualitativ in Worten oder quantitativ in mathematischer Form erfolgen. Eine Darstellung in mathematischer Form ist oft aussagekräftiger, erfordert allerdings eine Messbarkeit der entsprechenden Größen.


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Welche vier Regeln gelten für physikalische Größen?

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Maßeinheiten spielen in der Physik eine wichtige Rolle:

Jede physikalische Größe entspricht einer messbaren Eigenschaft eines Objekts oder Zustands, beispielsweise Länge, Masse, Zeit, Geschwindigkeit, Energie, Temperatur usw.


Jede physikalische Größe setzt sich aus einem Zahlenwert und einer Maßeinheit zusammen:

Physikalische Größe = Zahlenwert ⋅ Einheit

Handelt es sich beispielsweise bei der physikalischen Größe um die Masse 𝑚 eines Objekts, so ist [𝑚] = 𝑘𝑔, falls die Masse in der Einheit „Kilogramm“ angegeben wird.


􏰀 Größen können nur addiert oder subtrahiert werden, wenn sie in ihren Einheiten übereinstimmen.

Zuerst müssen also einzelne Einheiten gegebenenfalls passend umgerechnet werden.


􏰀 Größen können stets miteinander multipliziert oder durcheinander dividiert werden. Dabei wird die Rechenvorschrift sowohl auf die Zahlenwerte als auch auf die Einheiten der einzelnen Größen

angewandt.


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TESTE DEIN WISSEN

Was ist der Unterschied zwischen skalaren und vektoriellen Größen?

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Manche physikalischen Größen, beispielsweise Masse, Volumen, elektrische Ladung und Temperatur, haben keine räumliche Vorzugsrichtung, ihre Wirkung ist also in allen Richtungen des Raumes gleich. Durch die Angabe eines Zahlenwerts und der zugehörigen Maßeinheit werden solche so genannten „skalaren“ Größen hinreichend beschrieben. Andere physikalische Größen, beispielsweise Kraft, Beschleunigung und Geschwindigkeit, besitzen stets eine eindeutige Richtung im Raum. In Zeichnungen werden derartige Größen durch Pfeile (Vektoren), in physikalischen Formeln durch einen kleinen Pfeil über dem Formelsymbol dargestellt. Im dreidimensionalen Raum sind letztlich auch drei Zahlenwerte und die zugehörige Maßeinheit nötig, um die physikalische Wirkung dieser so genannten „vektoriellen“ Größen in die jeweiligen Raumrichtungen hinreichend zu beschreiben.



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Welche internationalen Einheiten gibt es ?

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siehe IPAD

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Zehnerpotenzen

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Ipad

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Welche Arten von Messfehlern gibt es ?

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Physikalische Messungen erfolgen durch ein Vergleichen der zu messenden Größe mit einer in der entsprechenden Einheit geeichten Skala (Meterstab, Waage, Thermometer, Volt- und Amperemeter, usw.). Häufig werden elektrische Messverfahren angewendet, welche die Messergebnisse mittels digitaler Anzeigen einfach ablesbar machen. Dennoch muss stets beachtet werden, dass die ermittelten Messwerte fehlerhaft sein können. Man unterscheidet prinzipiell zwischen systematischen und zufälligen („statistischen“) Messfehlern:

􏰀 Systematische Fehler ergeben sich aus einer falsch eingestellten Messapparatur. Ist beispielsweise ein Thermometer falsch kalibriert, so weicht die angezeigte Temperatur unweigerlich von der tatsächlichen Temperatur ab. Systematische Fehler treten bei jeder wiederholten Messung erneut auf, oftmals sorgen sie für eine konstante Abweichung vom tatsächlichen Wert (wenn beispielsweise die Skala eines Lineals bei 1 𝑚𝑚 statt 0 𝑚𝑚 beginnt).

􏰀 Statistische Fehler lassen sich auf Schwankungen der zu messenden Größe bei punktuellen Messungen mit Messfühlern, Messverzögerungen sowie Ablese-Ungenauigkeiten (bei nicht-digitalen Anzeigen) beziehungsweise ungenaue elektronische Sensoren (bei digitalen Messgeräten) zurückführen.


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Welche Regel gilt für jede Messung und welche Wahrscheinlichkeitsaussage wird dadurch definiert?

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Für jede einzelne Messung gilt also:

Messwert = Tatsächlicher Wert ± systematischer Fehler ± statistischer Fehler

Eine derartige explizite Darstellung eines Messergebnisses stellt letztlich eine Wahrscheinlichkeits- aussage dar. Üblicherweise wird damit gemeint, dass sich der tatsächliche Wert mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% innerhalb des Intervalls [Messwert – Fehler ; Messwert + Fehler] befindet.

oder kürzer:

Messwert = Tatsächlicher Wert ± Fehler


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Was ist Schwere und Trägheit?

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Alle physikalischen Körper, also räumlich begrenzte Materieformen, bestehen aus Stoffen und besitzen gemeinsame physikalische Eigenschaften. Umgangssprachlich bezeichnet man physikalische beziehungsweise geometrische Körper häufiger als „Objekte“.

Jedes physikalische Objekt besteht aus Materie; jeder Materie-Baustein wiederum „wiegt“ etwas, so dass jedes physikalische Objekt auch stets eine gewisse Masse m als charakteristische Eigenschaft aufweist.

Einheit: Die Masse eines Objekts wird meist in Kilogramm (𝑘𝑔) angegeben. Weitere gebräuchliche Einheiten sind die Tonne (𝑡) und das Gramm (𝑔).

1 𝑡 = 1000 𝑘𝑔

1 𝑘𝑔 = 1000 𝑔
Die Masse m eines Objekts kann man an seiner Schwere beziehungsweise an seiner Trägheit erkennen:

Die Eigenschaft „Schwere“ gibt an, wie sehr ein Objekt in der Lage ist, sich selbst oder einen anderen Gegenstand im Gravitationsfeld eines Planeten zu beschleunigen. Als anschauliches Beispiel kann man an die „Gewichte“ einer Kuckucksuhr denken, die beim Herabsinken in der Lage sind, die Zeiger der Uhr anzutreiben.


Die Eigenschaft „Trägheit“ gibt an, wie sehr sich ein Objekt einer von außen einwirkenden Kraft widersetzt; man kann die „Trägheit“ eines Objekts somit als „Widerstand gegen Beschleunigung“ auffassen.


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Volumen: Was entspricht einem Liter?

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Jedes Objekt besitzt ein Volumen 𝑉, also eine räumliche Ausdehnung.

Einheit: Das Volumen 𝑉 eines Objekts wird meist in Kubikmeter (𝑚3) angegeben.

Weitere gebräuchliche Einheiten sind der Liter (1𝑙 = 1𝑑𝑚3) und der Kubik-Zentimeter (𝑐𝑚3)

1𝑚3 =10·10·10𝑑𝑚3 =1000𝑙 1𝑙=10·10·10𝑐𝑚3 =1000𝑐𝑚3

Ein Liter entspricht einem Kubik-Dezimeter, also einem Würfel von 10 𝑐𝑚 · 10 𝑐𝑚 · 10 𝑐𝑚 Kantenlänge.


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Welche Methoden werden zur Volumsberechnung angewendet?

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siehe iPad


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Welche Dichte-Einheiten können als gleichwertig verwendet werden?

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siehe IPAD

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Welche Teilbereiche der Physik gibt es ?

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Die Physik kann ihrerseits in weitere Teilbereiche untergliedert werden. Hierbei unterscheidet man für gewöhnlich die „klassische“ Physik von der „moderne“ Physik.

Klassische Physik

Die klassische Physik ab dem 17. bis zum 19. Jahrhundert wurde stark durch Isaac Newton sowie die Weiterführungen durch Émilie du Châtelet geprägt. Hierzu zählen unter anderem die Teilbereiche Mechanik, Akustik, Optik und Wärmelehre. In diesen Bereichen sind Beobachtungen oftmals direkt mit menschlichen Sinnen möglich. In den weiteren Teilbereichen Elektrizitätslehre und Magnetismus, die ebenfalls zur „klassischen“ Physik gezählt werden, sind viele Vorgänge nicht direkt mit menschlichen Sinnen wahrnehmbar.

Moderne Physik

Durch die Arbeiten von Albert Einstein (Relativitätstheorie), Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg (Quantentheorie) u.a. wurde im 20. Jahrhundert die „moderne“ Physik begründet.

Hierzu zählen u.a. die Atom-, Kern- und Teilchenphysik, die Quantentheorie, die Relativitätstheorie sowie die Festkörperphysik. Direkte Beobachtungen von Vorgängen sind hierbei mit menschlichen Sinnen (meist) unmöglich. Sowohl Newton als auch Einstein haben mit ihren wissenschaftlichen Arbeiten jeweils die vorherrschenden Weltbilder maßgeblich beeinflusst.


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Q:

Physikalisches Experimentieren (lesen)

A:

Versuche, die unter gleichen Bedingungen stets gleiche Ergebnisse liefern, bilden die Basis für das Formulieren von Gesetzmäßigkeiten und für technische Anwendungen. Lassen sich physikalische Vorgänge unter gleichen Bedingungen zu jeder Zeit wiederholen, so lassen sich nach Auswertung der Ergebnisse allgemein gültige Aussagen formulieren. Die Darstellung physikalischer Gesetze (Ursache und Wirkung) kann qualitativ in Worten oder quantitativ in mathematischer Form erfolgen. Eine Darstellung in mathematischer Form ist oft aussagekräftiger, erfordert allerdings eine Messbarkeit der entsprechenden Größen.


Q:

Welche vier Regeln gelten für physikalische Größen?

A:

Maßeinheiten spielen in der Physik eine wichtige Rolle:

Jede physikalische Größe entspricht einer messbaren Eigenschaft eines Objekts oder Zustands, beispielsweise Länge, Masse, Zeit, Geschwindigkeit, Energie, Temperatur usw.


Jede physikalische Größe setzt sich aus einem Zahlenwert und einer Maßeinheit zusammen:

Physikalische Größe = Zahlenwert ⋅ Einheit

Handelt es sich beispielsweise bei der physikalischen Größe um die Masse 𝑚 eines Objekts, so ist [𝑚] = 𝑘𝑔, falls die Masse in der Einheit „Kilogramm“ angegeben wird.


􏰀 Größen können nur addiert oder subtrahiert werden, wenn sie in ihren Einheiten übereinstimmen.

Zuerst müssen also einzelne Einheiten gegebenenfalls passend umgerechnet werden.


􏰀 Größen können stets miteinander multipliziert oder durcheinander dividiert werden. Dabei wird die Rechenvorschrift sowohl auf die Zahlenwerte als auch auf die Einheiten der einzelnen Größen

angewandt.


Q:

Was ist der Unterschied zwischen skalaren und vektoriellen Größen?

A:

Manche physikalischen Größen, beispielsweise Masse, Volumen, elektrische Ladung und Temperatur, haben keine räumliche Vorzugsrichtung, ihre Wirkung ist also in allen Richtungen des Raumes gleich. Durch die Angabe eines Zahlenwerts und der zugehörigen Maßeinheit werden solche so genannten „skalaren“ Größen hinreichend beschrieben. Andere physikalische Größen, beispielsweise Kraft, Beschleunigung und Geschwindigkeit, besitzen stets eine eindeutige Richtung im Raum. In Zeichnungen werden derartige Größen durch Pfeile (Vektoren), in physikalischen Formeln durch einen kleinen Pfeil über dem Formelsymbol dargestellt. Im dreidimensionalen Raum sind letztlich auch drei Zahlenwerte und die zugehörige Maßeinheit nötig, um die physikalische Wirkung dieser so genannten „vektoriellen“ Größen in die jeweiligen Raumrichtungen hinreichend zu beschreiben.



Q:

Welche internationalen Einheiten gibt es ?

A:

siehe IPAD

Q:

Zehnerpotenzen

A:

Ipad

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Q:

Welche Arten von Messfehlern gibt es ?

A:

Physikalische Messungen erfolgen durch ein Vergleichen der zu messenden Größe mit einer in der entsprechenden Einheit geeichten Skala (Meterstab, Waage, Thermometer, Volt- und Amperemeter, usw.). Häufig werden elektrische Messverfahren angewendet, welche die Messergebnisse mittels digitaler Anzeigen einfach ablesbar machen. Dennoch muss stets beachtet werden, dass die ermittelten Messwerte fehlerhaft sein können. Man unterscheidet prinzipiell zwischen systematischen und zufälligen („statistischen“) Messfehlern:

􏰀 Systematische Fehler ergeben sich aus einer falsch eingestellten Messapparatur. Ist beispielsweise ein Thermometer falsch kalibriert, so weicht die angezeigte Temperatur unweigerlich von der tatsächlichen Temperatur ab. Systematische Fehler treten bei jeder wiederholten Messung erneut auf, oftmals sorgen sie für eine konstante Abweichung vom tatsächlichen Wert (wenn beispielsweise die Skala eines Lineals bei 1 𝑚𝑚 statt 0 𝑚𝑚 beginnt).

􏰀 Statistische Fehler lassen sich auf Schwankungen der zu messenden Größe bei punktuellen Messungen mit Messfühlern, Messverzögerungen sowie Ablese-Ungenauigkeiten (bei nicht-digitalen Anzeigen) beziehungsweise ungenaue elektronische Sensoren (bei digitalen Messgeräten) zurückführen.


Q:

Welche Regel gilt für jede Messung und welche Wahrscheinlichkeitsaussage wird dadurch definiert?

A:

Für jede einzelne Messung gilt also:

Messwert = Tatsächlicher Wert ± systematischer Fehler ± statistischer Fehler

Eine derartige explizite Darstellung eines Messergebnisses stellt letztlich eine Wahrscheinlichkeits- aussage dar. Üblicherweise wird damit gemeint, dass sich der tatsächliche Wert mit einer Wahrscheinlichkeit von 68% innerhalb des Intervalls [Messwert – Fehler ; Messwert + Fehler] befindet.

oder kürzer:

Messwert = Tatsächlicher Wert ± Fehler


Q:

Was ist Schwere und Trägheit?

A:

Alle physikalischen Körper, also räumlich begrenzte Materieformen, bestehen aus Stoffen und besitzen gemeinsame physikalische Eigenschaften. Umgangssprachlich bezeichnet man physikalische beziehungsweise geometrische Körper häufiger als „Objekte“.

Jedes physikalische Objekt besteht aus Materie; jeder Materie-Baustein wiederum „wiegt“ etwas, so dass jedes physikalische Objekt auch stets eine gewisse Masse m als charakteristische Eigenschaft aufweist.

Einheit: Die Masse eines Objekts wird meist in Kilogramm (𝑘𝑔) angegeben. Weitere gebräuchliche Einheiten sind die Tonne (𝑡) und das Gramm (𝑔).

1 𝑡 = 1000 𝑘𝑔

1 𝑘𝑔 = 1000 𝑔
Die Masse m eines Objekts kann man an seiner Schwere beziehungsweise an seiner Trägheit erkennen:

Die Eigenschaft „Schwere“ gibt an, wie sehr ein Objekt in der Lage ist, sich selbst oder einen anderen Gegenstand im Gravitationsfeld eines Planeten zu beschleunigen. Als anschauliches Beispiel kann man an die „Gewichte“ einer Kuckucksuhr denken, die beim Herabsinken in der Lage sind, die Zeiger der Uhr anzutreiben.


Die Eigenschaft „Trägheit“ gibt an, wie sehr sich ein Objekt einer von außen einwirkenden Kraft widersetzt; man kann die „Trägheit“ eines Objekts somit als „Widerstand gegen Beschleunigung“ auffassen.


Q:

Volumen: Was entspricht einem Liter?

A:

Jedes Objekt besitzt ein Volumen 𝑉, also eine räumliche Ausdehnung.

Einheit: Das Volumen 𝑉 eines Objekts wird meist in Kubikmeter (𝑚3) angegeben.

Weitere gebräuchliche Einheiten sind der Liter (1𝑙 = 1𝑑𝑚3) und der Kubik-Zentimeter (𝑐𝑚3)

1𝑚3 =10·10·10𝑑𝑚3 =1000𝑙 1𝑙=10·10·10𝑐𝑚3 =1000𝑐𝑚3

Ein Liter entspricht einem Kubik-Dezimeter, also einem Würfel von 10 𝑐𝑚 · 10 𝑐𝑚 · 10 𝑐𝑚 Kantenlänge.


Q:

Welche Methoden werden zur Volumsberechnung angewendet?

A:

siehe iPad


Q:

Welche Dichte-Einheiten können als gleichwertig verwendet werden?

A:

siehe IPAD

Q:

Welche Teilbereiche der Physik gibt es ?

A:

Die Physik kann ihrerseits in weitere Teilbereiche untergliedert werden. Hierbei unterscheidet man für gewöhnlich die „klassische“ Physik von der „moderne“ Physik.

Klassische Physik

Die klassische Physik ab dem 17. bis zum 19. Jahrhundert wurde stark durch Isaac Newton sowie die Weiterführungen durch Émilie du Châtelet geprägt. Hierzu zählen unter anderem die Teilbereiche Mechanik, Akustik, Optik und Wärmelehre. In diesen Bereichen sind Beobachtungen oftmals direkt mit menschlichen Sinnen möglich. In den weiteren Teilbereichen Elektrizitätslehre und Magnetismus, die ebenfalls zur „klassischen“ Physik gezählt werden, sind viele Vorgänge nicht direkt mit menschlichen Sinnen wahrnehmbar.

Moderne Physik

Durch die Arbeiten von Albert Einstein (Relativitätstheorie), Erwin Schrödinger und Werner Heisenberg (Quantentheorie) u.a. wurde im 20. Jahrhundert die „moderne“ Physik begründet.

Hierzu zählen u.a. die Atom-, Kern- und Teilchenphysik, die Quantentheorie, die Relativitätstheorie sowie die Festkörperphysik. Direkte Beobachtungen von Vorgängen sind hierbei mit menschlichen Sinnen (meist) unmöglich. Sowohl Newton als auch Einstein haben mit ihren wissenschaftlichen Arbeiten jeweils die vorherrschenden Weltbilder maßgeblich beeinflusst.


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