Physikalische Einheiten

In diesem Artikel wird der Begriff 'physikalische Einheit' eingeführt und erklärt.
In der Physik verwendet man Einheiten um physikalische Größen miteinander sinnvoll vergleichen zu können.
Vor sehr langer Zeit hat man Längen in sogenannten 'Ellen' angegeben. Eine 'Elle' hatte dabei die Länge eines Ellenbogens.

Das ist ein Problem, denn diese Methode ist sehr ungenau! Denn nicht alle Menschen haben einen gleich langen Ellenbogen.
Damit ist die Länge des Ellenbogens ein schlecht geeignetes Maß um Längen zu vergleichen.

Damit bei einer Angabe einer Länge keine vermeidbaren Ungenauigkeiten passieren, verwendet man geeignete Einheiten, wie z. B. Meter.
Für Längen gibt es sehr viele Einheiten wie etwa Meter, Zoll, Fuß, Meile, und weitere. Möchte man beispielsweise die Durchmesser zweier Flachbildschirme miteinander vergleichen, so ist es ratsam beide Angaben in derselben Einheit anzugeben. Denn, macht man dies nicht, so sind Fehler nur eine Frage der Zeit!
Mit der Zeit hat es sich eingebürgert, dass in unterschiedlichen Ländern teilweise verschiedene Einheiten bevorzugt wurden. Bei länderübergreifenden Projekten, wie beispielsweise beim Brückenbau über Flüsse entlang von Landesgrenzen ist es schon vorgekommen, dass auf der einen Flussseite zu niedrig gebaut wurde als auf der anderen, und das nur wegen unterschiedlicher Einheiten!
Um solche Probleme zu umgehen, hat man ein internationales Einheitensystem festgelegt.

SI-Einheiten

Das internationale Einheitensystem, kurz SI, ist eine Vereinbarung, welche Einheiten man für bestimmte physikalische Größen verwendet. In folgender Tabelle sind die SI-Basiseinheiten aufgelistet:
physikalische GrößeSI-Einheit
LängeMeter 'm'
MasseKilogramm 'kg'
ZeitSekunde 's'
StromstärkeAmpere 'A'
Temperatur (thermodynamisch)Kelvin 'K'
StoffmengeMol 'mol'
LichtstärkeCandela 'cd'
Die Einheiten aller anderen physikalischen Größen können mit diesen Basiseinheiten dargestellt werden! Damit müssen nur diese sieben Einheiten definiert werden.
Wie definiert man eigentlich solche Einheiten? Beispielsweise ist die Länge von einem Meter als die Strecke definiert, die Licht im Vakuum innerhalb von 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt. Damit hängt die Definition von Meter von der Zeiteinheit Sekunde ab.
Wie kann man eine Sekunde definieren? - Eine Zeiteinheit kann nur über die Dauer zwischen zwei bestimmten Zuständen festgelegt werden. Ein ganz einfaches Beispiel wäre 'Tag und Nacht'. So kann man eine Zeitdauer über die Dauer eines Tages definieren. Das ist allerdings sehr ungenau und hängt von sehr vielen Faktoren ab! Eine weitere Festlegung ist über die Schwingungsdauer eines Pendels einer Pendeluhr möglich. Schon genauer, aber noch immer sehr ungenau. Zudem schwingen Pendeluhren im gravitationslosen Raum nicht, also hängt die Pendeluhr von der Erdmasse ab! Schon weitaus besser sind Quarzuhren. Dabei wird durch Anlegen von elektrischem Strom an einem speziellen Quarz (Schwingquarz oder Quarzoszillator) eine bestimmte Schwingung ausgelöst, die Taktgeber für die Uhr ist. Es geht aber noch weitaus genauer! - Man definiert die Sekunde als das 9192631770-Fache einer Schwingungsdauer von einer bestimmten Strahlung, die von einem Caesiumatom ausgesendet wird. Aufgrund von quantenphysikalischer Vorgänge (Niveauübergang der Elektronen im Atom) kann das Licht bzw. die Strahlung, die von einer bestimmten Sorte von Atomen ausgesendet wird, nur bestimmte Frequenzen bzw. Wellenlängen haben. Diesen Umstand, dass immer dieselbe Frequenz ausgestrahlt wird, nutzt man hier aus und erhält eine äußerst genaue Zeitmessung, die als Atomuhr bekannt ist. So eine Atomuhr würde auf der Erde und im Weltall dieselbe Zeitdauer angeben.

Beispiele und Aufgaben

Kraft hat die Einheit 'm·kg·s-2'. Da Kraft eine sehr häufige verwendete physikalische Größe ist, hat man eine weitere Einheit definiert: Newton. Es wird das Symbol N verwendet. Damit wissen wir jetzt, dass für die Einheit 'N=m·kg·s-2' gilt.
Elektrische Ladung hat die Einheit 's·A'
Zu den interaktiven Aufgaben → Einheiten - Übungsaufgaben

Weiterführender Artikel:
Hat alles, was man braucht: Taschenrechner CASIO FX-991DE X *
Die mit Sternchen (*) gekennzeichneten Verweise sind sogenannte Provisions-Links. Für dich entstehen dabei keine Nachteile!