Denk- und Arbeitsweisen der Physik
Du lässt zwei Pendel schwingen. Ein Pendel ist ein Gewicht an einem Faden, das hin und her schwingt. Das eine Pendel hat ein schweres Gewicht, das andere ein leichtes. Welches schwingt schneller? Viele sagen: das schwere. Stimmt das?
Man kann raten, streiten oder nachsehen. Die Physik entscheidet durch Nachsehen: Sie beobachtet, vermutet, prüft mit einem Versuch und misst genau.
In dieser Lektion lernst du, wie das geht. Du lernst auch, was ein Modell ist, wie Einheiten geordnet sind und warum jede Messung ein wenig ungenau bleibt.
Beobachtung und Erklärung
Eine Beobachtung beschreibt, was man sieht, hört oder misst, ohne es zu deuten. Eine Erklärung sagt, warum es so ist.
Beispiel: Du steckst einen Löffel in ein Glas Wasser. Beobachtung: „Der Löffel sieht an der Wasseroberfläche geknickt aus.“ Erklärung: „Das Licht ändert an der Grenze zwischen Wasser und Luft seine Richtung.“ Das kennst du als Brechung.
Die Beobachtung kann jeder nachprüfen. Die Erklärung ist ein Vorschlag, der zu den Beobachtungen passen muss. Schreibe beides getrennt auf: erst, was geschehen ist, dann, was du daraus schließt.
Hypothese und Experiment
Eine Hypothese ist eine begründete Vermutung, die man prüfen kann. „Ein schweres Pendel schwingt schneller“ ist eine Hypothese. „Physik ist toll“ ist keine, denn man kann sie nicht mit einer Messung prüfen.
Ein Experiment (Versuch) prüft eine Hypothese. Ein gutes Experiment hat diese Merkmale:
- Du beschreibst Aufbau, Durchführung und Beobachtung so genau, dass andere den Versuch wiederholen können.
- Du änderst nur eine Größe und hältst alle anderen gleich. Sonst weißt du nicht, welche Änderung gewirkt hat.
- Du schreibst die Messwerte in eine Tabelle.
Danach vergleichst du: Passt das Ergebnis zur Hypothese, hat sie die Prüfung bestanden. Passt es nicht, ist sie widerlegt, und du suchst eine neue.
Hängt die Schwingdauer von der Masse ab?
Hängt die Schwingdauer von der Masse ab?
Hypothese: Ein schweres Pendel schwingt schneller als ein leichtes. Du hängst Gewichte mit 50 g, 100 g und 200 g an einen Faden von 50 cm Länge und misst die Zeit für 10 Schwingungen (angenommene Messwerte).
| Masse | Zeit für 10 Schwingungen |
|---|---|
| 50 g | 14,2 s |
| 100 g | 14,2 s |
| 200 g | 14,3 s |
Danach bleibt das Gewicht bei 100 g, und du änderst die Fadenlänge.
| Fadenlänge | Zeit für 10 Schwingungen |
|---|---|
| 25 cm | 10,0 s |
| 50 cm | 14,2 s |
| 100 cm | 20,1 s |
Was folgt aus beiden Tabellen?
Erste Tabelle: Die Masse wird auf das Vierfache gesteigert (50 g auf 200 g), die Zeit bleibt fast gleich (14,2 s und 14,3 s). Der kleine Unterschied liegt im Bereich der Messungenauigkeit, die du weiter unten kennenlernst. Die Hypothese „schwerer heißt schneller“ ist widerlegt.
Zweite Tabelle: Je länger der Faden, desto länger dauern 10 Schwingungen. Eine Schwingung dauert bei 25 cm etwa 10,0 s : 10 = 1,0 s und bei 100 cm etwa 20,1 s : 10 = 2,0 s.
Aus der Beobachtung entsteht eine neue Hypothese: „Je länger das Pendel, desto langsamer schwingt es.“ Du kannst sie weiter prüfen. So geht Forschung weiter.
Modelle
Ein Modell ist eine vereinfachte Vorstellung von etwas, das man nicht ganz sehen oder erfassen kann. Es lässt Unwichtiges weg und erklärt bestimmte Beobachtungen. Es ist kein Foto der Wirklichkeit. Du kennst schon drei Modelle:
| Modell | Die Vorstellung | Was es erklärt |
|---|---|---|
| Lichtstrahlenmodell | Licht läuft in geraden Linien, den Lichtstrahlen. | Schatten, Lochkamera, Spiegelbild |
| Teilchenmodell | Stoffe bestehen aus winzigen Teilchen, die sich bewegen. | Aggregatzustände, Wärmeausdehnung |
| Elementarmagnetmodell | Ein Magnet besteht aus vielen winzigen Magneten, die in dieselbe Richtung zeigen. | Warum jedes Stück eines zerbrochenen Magneten wieder zwei Pole hat |
Jedes Modell hat Grenzen. Echte Lichtbündel sind nicht fadendünn, und Teilchen sind keine bunten Kugeln. Passt eine neue Beobachtung nicht mehr zum Modell, verbessert man es oder nimmt ein anderes.
Größen, SI-Einheiten und Präfixe
Du weißt: Eine Größe ist Zahlenwert mal Einheit, zum Beispiel für eine Masse. Damit überall dieselben Einheiten gelten, haben sich fast alle Länder auf das Internationale Einheitensystem geeinigt, kurz SI. Drei seiner Basiseinheiten brauchst du jetzt:
| Größe | Basiseinheit |
|---|---|
| Länge | Meter (m) |
| Masse | Kilogramm (kg) |
| Zeit | Sekunde (s) |
Andere Einheiten setzt man daraus zusammen: Quadratmeter (m²) für Flächen, Meter pro Sekunde (m/s) für die Geschwindigkeit. Das Kilogramm ist die Basiseinheit der Masse, obwohl sein Name schon eine Vorsilbe enthält.
Mit Präfixen (Vorsilben) macht man aus einer Einheit eine größere oder kleinere:
| Präfix | Zeichen | Bedeutung | Beispiel |
|---|---|---|---|
| Kilo | k | das Tausendfache | 1 km = 1000 m |
| Zenti | c | ein Hundertstel | 1 cm = 0,01 m |
| Milli | m | ein Tausendstel | 1 mg = 0,001 g |
| Mikro | µ | ein Millionstel | 1 µm = 0,000 001 m |
Achte auf das m: Vor einer Einheit bedeutet es Milli (mg ist Milligramm), allein steht es für Meter.
Mit Präfixen umrechnen
Mit Präfixen umrechnen
Rechne um: a) 250 g in kg, b) 3,2 km in m, c) 80 µm in mm.
a) 1 g ist ein Tausendstel von 1 kg. 250 g sind 250 mal 0,001 kg = 0,25 kg.
b) 1 km sind 1000 m. 3,2 km sind 3,2 mal 1000 m = 3200 m.
c) 1 mm sind 1000 µm. Also ist 1 µm gleich 0,001 mm. 80 µm sind 80 mal 0,001 mm = 0,08 mm.
Messunsicherheit
Keine Messung ist ganz genau. Mit der Stoppuhr drückst du nie genau im richtigen Moment. Die Messunsicherheit sagt, in welchem Bereich der wahre Wert vermutlich liegt. Man schreibt sie mit dem Zeichen ±, zum Beispiel . Das heißt: Der wahre Wert liegt wohl zwischen 14,0 s und 14,4 s. Es gibt zwei Arten von Abweichungen:
- Zufällige Abweichungen sind mal zu groß, mal zu klein, zum Beispiel beim Stoppen oder Ablesen. Gegenmittel: mehrmals messen und den Durchschnitt bilden.
- Systematische Abweichungen gehen immer in dieselbe Richtung, zum Beispiel wenn eine Waage ohne Last schon 5 g anzeigt. Gegenmittel: das Messgerät vorher prüfen und auf null stellen.
Eine einfache Schätzung: Die Unsicherheit ist der halbe Abstand zwischen dem größten und dem kleinsten Messwert. Gib ein Ergebnis nie mit mehr Stellen an, als die Unsicherheit erlaubt. Eine Stoppuhr zeigt vielleicht Hundertstelsekunden an, aber deine Reaktionszeit ist viel gröber.
Eine Messreihe auswerten
Eine Messreihe auswerten
Du misst fünfmal die Zeit für 10 Schwingungen eines Pendels: 14,0 s; 14,4 s; 14,2 s; 14,3 s; 14,1 s. Gib die Dauer einer Schwingung mit Unsicherheit an.
Durchschnitt: 14,0 + 14,4 + 14,2 + 14,3 + 14,1 = 71,0. Dann ist 71,0 : 5 = 14,2 s.
Unsicherheit: Der größte Wert ist 14,4 s, der kleinste 14,0 s. Der Abstand ist 0,4 s, die Hälfte ist 0,2 s. Für 10 Schwingungen gilt also (14,2 ± 0,2) s.
Eine Schwingung: Teile beide Zahlen durch 10. Das ergibt (1,42 ± 0,02) s. Du hast Starten und Stoppen nur einmal ungenau gemacht und den Fehler auf zehn Schwingungen verteilt. Darum ist die Unsicherheit für eine Schwingung viel kleiner, als wenn du eine einzelne Schwingung gestoppt hättest.
Ein Versuch beweist die Hypothese
Ein Versuch beweist die Hypothese
„Mein Versuch passt zur Hypothese, also ist sie bewiesen.“
Ein Versuch, der passt, zeigt nur: Die Hypothese hat diese Prüfung bestanden. Ein anderer Versuch unter anderen Bedingungen kann sie noch widerlegen. Darum wiederholt man Versuche und prüft sie auf verschiedene Weise.
Ein Modell zeigt, wie es wirklich ist
Ein Modell zeigt, wie es wirklich ist
„Stoffe bestehen wirklich aus kleinen Kugeln.“
Das Teilchenmodell ist eine Vorstellung, die vieles gut erklärt. Die Kugeln sind eine Vereinfachung. Ein Modell sagt nicht, wie ein Stoff aussieht, sondern was man mit ihm erklären und vorhersagen kann.
Zusammenfassung
Eine Beobachtung beschreibt, was man sieht oder misst. Eine Erklärung sagt, warum es so ist.
Eine Hypothese ist eine prüfbare Vermutung. Im Experiment ändert man nur eine Größe, alle anderen bleiben gleich.
Ein passendes Ergebnis lässt die Hypothese bestehen. Ein klarer Widerspruch widerlegt sie.
Modelle wie das Lichtstrahlen-, Teilchen- und Elementarmagnetmodell sind vereinfachte Vorstellungen mit Grenzen.
Die SI-Basiseinheiten für Länge, Masse und Zeit sind Meter, Kilogramm und Sekunde. Präfixe wie Kilo, Zenti, Milli und Mikro machen sie größer oder kleiner.
Jede Messung hat eine Unsicherheit. Mehrfaches Messen und der Durchschnitt verkleinern zufällige Abweichungen.
Übungen
Rechne um: 3500 g sind wie viele Kilogramm?
Welche Aussage ist eine Hypothese, die man mit einem Versuch prüfen kann?
Du misst fünfmal die Zeit für 10 Schwingungen: 20,0 s; 20,3 s; 20,2 s; 20,4 s; 20,1 s. Wie lange dauert eine Schwingung im Durchschnitt, in Sekunden?
Was stimmt über Modelle in der Physik?
Ein Haar ist 0,08 mm dick. Wie viele Mikrometer sind das? Schreibe nur die Zahl.
Du vermutest: Ein Eiswürfel schmilzt in warmem Wasser schneller als in kaltem. Beschreibe, wie du das prüfst. Nenne, was du gleich lässt und was du änderst.