Grundlagen / Größen & Messen

Physik: beobachten, vermuten, messen

Wie Physik arbeitet: von der Alltagsbeobachtung über die Vermutung zum Experiment und zur Erklärung.

Einführung

Ein Eiswürfel im Glas schwimmt oben. Ein Stein im selben Glas geht unter. Beides hast du hundertmal gesehen, und beides hat dich nie gestört, weil es eben so ist. Physik fängt genau an der Stelle an, an der jemand fragt: Warum eigentlich? Und sie gibt sich nicht mit „das ist halt so" zufrieden, sondern sucht eine Antwort, die man überprüfen kann. In diesem ersten Kapitel geht es deshalb noch gar nicht um Formeln, sondern um die Arbeitsweise dahinter. Wer sie einmal verstanden hat, dem kommen die späteren Kapitel nicht mehr wie eine Sammlung auswendig zu lernender Sätze vor, sondern wie das Ergebnis einer langen Fragerei.

Das kannst du nach diesem Kapitel

$beschreiben, womit sich die Physik beschäftigt und wie sie sich von einer Meinung unterscheidet.$
$aus einer Beobachtung eine überprüfbare Vermutung formulieren.$
$den Aufbau eines Experiments erklären und sagen, warum man dabei nur eine Größe verändert.$
$Messwerte in einer Tabelle festhalten und in ein Diagramm eintragen.$
$begründen, warum jede Messung eine Messabweichung hat, und wie man sie klein hält.$
$die Sicherheitsregeln im Fachraum nennen und begründen.$

Von der Beobachtung zur Frage

Physik untersucht die unbelebte Natur : Bewegungen, Kräfte, Licht, Wärme, Strom, Schall. Sie fragt nicht, ob etwas schön ist oder ob man es mögen sollte, sondern wie es abläuft und warum es so und nicht anders abläuft. Der Startpunkt ist fast immer eine ganz gewöhnliche Beobachtung: Wenn ich das Fahrrad ausrollen lasse, wird es langsamer und bleibt stehen. Daraus wird eine physikalische Frage, wenn man sie so stellt, dass eine Antwort überhaupt möglich ist: Wovon hängt es ab, wie weit das Fahrrad ausrollt?

Die Vermutung muss man widerlegen können

Eine physikalische Vermutung (man sagt auch Hypothese) ist eine Behauptung, von der man vorher sagen kann, welche Beobachtung sie umwerfen würde . Das ist der entscheidende Unterschied zu einer Meinung. „Ein platter Reifen bremst stärker als ein praller." Das ist eine Vermutung: Man kann beides ausprobieren und nachmessen. „Fahrräder rollen schöner als Roller." Das ist keine Vermutung, sondern Geschmack. Es gibt keine Messung, die das entscheiden könnte. Diese Forderung ist kein Formalismus. Sie ist der Grund dafür, dass Physik nachprüfbar ist: Jeder auf der Welt kann denselben Versuch aufbauen und schauen, ob dasselbe herauskommt.

Lies den Weg einmal von oben nach unten und dann den gestrichelten Rückpfeil. Er ist der wichtigste Teil des Bildes: Hält die Vermutung der Messung nicht stand, beginnt der Weg von dort aus neu. Genau deshalb muss eine Vermutung so formuliert sein, dass ein Versuch sie widerlegen könnte. „Alles hängt irgendwie zusammen“ kann man nicht prüfen und ist deshalb keine physikalische Vermutung.

Das Experiment: nur eine Größe verändern

Beim Fahrrad hängt die Rollstrecke von vielen Dingen ab: Reifendruck, Untergrund, Gewicht, Startgeschwindigkeit, Wind. Wenn man alles gleichzeitig ändert und die Strecke wird kürzer, weiß man hinterher genau gar nichts: Welche der fünf Änderungen war schuld? Deshalb gilt die wichtigste Regel des Experimentierens: Verändere genau eine Größe. Halte alle anderen fest. Nur dann darf man den Unterschied im Ergebnis dieser einen Größe zuschreiben. Die festgehaltenen Größen heißen konstant gehaltene Bedingungen, die absichtlich veränderte heißt die unabhängige Größe, die gemessene die abhängige Größe .

Rechts schwingen die beiden Pendel verschieden, aber woran liegt es? An der Masse oder an der Länge? Der Versuch kann es nicht beantworten, weil beides zugleich geändert wurde. Links ist nur eine Größe anders, deshalb hat ein Unterschied dort auch nur eine mögliche Ursache. Das ist der ganze Grund für die Regel „nur eine Größe verändern“.

Messen, festhalten, darstellen

Ein Experiment liefert Zahlen . Damit man sie später noch versteht, hält man sie sofort in einer Tabelle fest, mit Größe und Einheit in der Kopfzeile: Reifendruck in bar Rollstrecke in m 1,0 18 2,0 27 3,0 33 4,0 36 Aus der Tabelle wird ein Diagramm : unabhängige Größe nach rechts, abhängige nach oben. Ein Diagramm zeigt auf einen Blick, was eine Zahlenkolonne verschweigt, hier zum Beispiel: Die Rollstrecke wächst zwar mit dem Druck, aber immer langsamer.

Reifendruck in bar	Rollstrecke in m
1,0	18
2,0	27
3,0	33
4,0	36

Warum jede Messung ungenau ist

18{,}0000\,\text{m}

Achtmal dasselbe Pendel, achtmal ein anderer Wert, und niemand hat dabei einen Fehler gemacht. Der Mittelwert 2,015 s ist zuverlässiger als jeder einzelne Wert, und der Streubereich sagt, wie zuverlässig. Deshalb gehört zu einem Messergebnis in der Physik immer beides: der Wert und seine Unsicherheit.

Modell und Wirklichkeit

Physik arbeitet ständig mit Modellen : vereinfachten Bildern der Wirklichkeit, die das Wesentliche behalten und den Rest weglassen. Der „ Lichtstrahl " aus dem Optik-Kapitel ist so ein Modell, ebenso der „Massepunkt", bei dem ein ganzes Auto auf einen Punkt zusammenschrumpft. Ein Modell ist nie richtig oder falsch, sondern brauchbar oder unbrauchbar für eine bestimmte Frage . Für die Frage „wie lange braucht das Auto von Erfurt nach Jena?" ist der Massepunkt hervorragend. Für die Frage „wo im Auto sitzt der Fahrer?" ist er unbrauchbar. Zu jedem Modell gehört deshalb der Satz: Wo hört es auf zu passen?

Aus einer Beobachtung ein Experiment machen

Lena stellt fest: „Mein Handy fällt immer viel schneller runter als ein Blatt Papier. Schwere Sachen fallen schneller." Entwirf ein Experiment, das diese Vermutung prüft.

1 $Die Vermutung ausformulieren, sodass sie prüfbar ist. Aus „schwere Sachen fallen schneller" wird: Bei gleicher Fallhöhe braucht ein Körper mit größerer Masse weniger Zeit bis zum Boden. Jetzt ist klar, was gemessen wird (Fallzeit) und was verändert wird (Masse).$
2 $Störende Größen erkennen. Handy und Papierblatt unterscheiden sich nicht nur in der Masse, sondern auch in der Form . Das flache Blatt hat viel Luftwiderstand. Es werden also zwei Größen gleichzeitig verändert, und genau das darf nicht sein.$
3 $Aufbau so wählen, dass nur die Masse verschieden ist. Zwei gleich große Bälle, einer aus Holz, einer aus Styropor, aus derselben Höhe fallen lassen. Gleiche Größe, gleiche Form, gleiche Höhe, verschiedene Masse.$
4 $Mehrfach messen. Je fünf Durchgänge, Fallzeit stoppen, Mittelwert bilden. Einzelmessungen schwanken schon deshalb, weil das Loslassen und das Stoppen nie perfekt passen.$
5 $Gegenprobe für den Luftwiderstand. Dasselbe Blatt Papier flach und fest zusammengeknüllt fallen lassen. Die Masse ist unverändert, nur die Form nicht. Fällt das Knäuel deutlich schneller, war die Form die Ursache und nicht die Masse.$

Die beiden gleich großen Bälle kommen praktisch gleichzeitig an, das Papierknäuel fällt viel schneller als das flache Blatt. Lenas Vermutung war also falsch: Nicht die Masse entscheidet, sondern der Luftwiderstand . Ohne den zweiten Versuchsteil hätte man das nie sauber trennen können.

Messwerte auswerten

48{,}2\,\text{cm}

1 $\overline{l} = \frac{48{,}2 + 48{,}5 + 48{,}3 + 48{,}4 + 48{,}1}{5}\,\text{cm} = \frac{241{,}5}{5}\,\text{cm} = 48{,}3\,\text{cm}$
2 $48{,}1\,\text{cm}$
3 $l = 48{,}3\,\text{cm} \pm 0{,}2\,\text{cm}$
4 $48{,}30\,\text{cm}$

l = 48{,}3\,\text{cm} \pm 0{,}2\,\text{cm}

Typischer Fehler

„Der Versuch hat meine Vermutung nicht bestätigt. Dann war der Versuch wohl misslungen und ich schreibe lieber das auf, was rauskommen sollte."

Das ist der eine Fehler, der Physik unmöglich macht. Ein Versuch, der die Vermutung widerlegt, ist kein misslungener Versuch, sondern ein besonders wertvoller: Er hat eine falsche Idee aus dem Weg geräumt. Genau das war der Punkt bei Lenas Fallversuch oben, und über 2000 Jahre lang hatte fast jeder Mensch dieselbe falsche Vermutung wie sie. Was du stattdessen tust: das gemessene Ergebnis aufschreiben, danach nach möglichen Fehlerquellen suchen (falsch abgelesen? andere Größe mitverändert? zu wenige Messungen?) und, wenn keine zu finden ist, die Vermutung ändern. Ergebnisse „passend zu machen" heißt in der Wissenschaft Fälschung und ist der schwerste Vorwurf, den es dort gibt.

Tipps & Tricks

4000\,\text{km/h}

Übung 1

leicht

Welche der folgenden Aussagen sind physikalische Vermutungen (also durch Messung überprüfbar), welche nicht? Begründe jeweils in einem Satz. a) Warmes Wasser löst Zucker schneller auf als kaltes. b) Blau ist die angenehmste Farbe für ein Klassenzimmer. c) Eine Kerze brennt unter einem Glas nach einiger Zeit aus. d) Physik ist schwerer als Sport.

Tipp anzeigen

Frage dich bei jedem Satz: Könnte ich einen Versuch bauen, dessen Ausgang die Aussage widerlegen würde?

Lösung anzeigen

a) Vermutung. Man kann gleiche Zuckermengen in gleich viel Wasser verschiedener Temperatur geben und die Zeit bis zum vollständigen Auflösen stoppen. b) Keine Vermutung. „Angenehm" ist Geschmack. Es gibt keine Messgröße, die das entscheiden könnte. c) Vermutung. Aufbauen und beobachten, ob die Flamme erlischt. Sogar die Zeit lässt sich messen. d) Keine Vermutung. „Schwerer" meint hier anstrengender, und das empfindet jeder anders. Es ist keine physikalische Größe gemeint.

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
Die Prüffrage bereitlegen
$Physikalisch ist eine Vermutung nicht, weil sie klug klingt, sondern weil sie an der Wirklichkeit scheitern könnte . Die Prüffrage lautet deshalb: Lässt sich ein Versuch bauen, dessen Ergebnis die Aussage widerlegen würde?$
2
a) und c): den Versuch wirklich beschreiben
$Bei a) lassen sich gleiche Zuckermengen in gleich viel Wasser verschiedener Temperatur geben und die Auflösezeiten stoppen, messbare Größen, vergleichbare Bedingungen. Bei c) baut man den Aufbau auf und beobachtet, ob die Flamme erlischt; sogar die Zeit bis dahin ist messbar.$
3
b) und d): woran es scheitert
$„Angenehm" bei b) und „schwerer" im Sinne von anstrengender bei d) sind keine physikalischen Größen: Es gibt kein Messgerät und keine Einheit dafür, und zwei Menschen dürfen völlig verschieden antworten, ohne dass einer von beiden sich irrt.$
4
Ergebnis deuten: was die Einteilung leistet
$a) und c) sind physikalische Vermutungen, b) und d) nicht. Die Einteilung bewertet die Sätze nicht. Sie sagt nur, welche davon die Physik mit ihren Mitteln entscheiden kann und welche nicht.$

Übung 2

mittel

50\,\text{g}

Tipp anzeigen

Zähle nach, wie viele Größen sich von Versuch zu Versuch ändern.

Lösung anzeigen

60\,\text{cm}

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
Die Messreihe Zeile für Zeile lesen
$50 \to 100 \to 200$
2
Warum der Schluss nicht trägt
$Wenn sich zwei Größen zugleich ändern, lässt sich die längere Schwingungsdauer keiner von beiden zuschreiben. Die Fadenlänge könnte alles bewirkt haben, die Masse ebenso, oder beide zusammen, die Messung kann diese Fälle nicht unterscheiden.$
3
Die Korrektur: eine Größe festhalten
$60$
4
Messgenauigkeit mitdenken
$Eine einzelne Schwingung ist zu kurz zum sauberen Stoppen. Man misst deshalb zehn Schwingungen und teilt durch zehn, der Ablesefehler verteilt sich dadurch auf zehn Schwingungen und wird zehnmal kleiner.$
5
Ergebnis deuten: die Untersuchung hatte den Fehler verdeckt
$Führt man die Messung sauber durch, zeigt sich: Nur die Fadenlänge verändert die Schwingungsdauer, die Masse nicht. Der ursprüngliche Schluss war also nicht nur unbelegt, sondern sogar falsch, der Aufbau hatte das verborgen.$

Übung 3

schwer

200\,\text{ml}

Zeit in min	0	2	4	6	8	10
Temperatur in °C	20	34	48	61	76	89

Tipp anzeigen

100\,\text{°C}

Lösung anzeigen

13\,\text{°C}

Detaillierte Schritterklärung anzeigen

Hier wird jeder Schritt einzeln erklärt, vor allem, warum er gemacht wird.

Erklärungstiefe

✦ Empfohlen: Standard – Die normale Erklärungstiefe passt zum Einstieg.

1
a) Welche Größe gebe ich vor, welche lese ich ab?
$Die Zeit legen wir selbst fest, alle zwei Minuten wird abgelesen. Die Temperatur stellt sich daraufhin ein. Die vorgegebene Größe kommt nach rechts auf die waagerechte Achse, die abhängige nach oben.$
2
b) Die Gesetzmäßigkeit aus den Messwerten herauslesen
$14$
3
c) Die Voraussage rechnen
$14$
$89\,\text{°C} + 14\,\text{°C} = 103\,\text{°C}$
Zwischenergebnis
$103\,\text{°C}$
4
c) Wie sicher ist diese Voraussage?
$Sie ist nicht sicher . Sie gilt nur, solange sich am Vorgang nichts ändert, und genau das kann die Messung selbst nicht garantieren, weil sie über den gemessenen Bereich nichts weiß.$
5
d) Ergebnis deuten: die Voraussage war tatsächlich falsch
$100\,\text{°C}$

Zusammenfassung

Physik untersucht die unbelebte Natur und beantwortet Warum-Fragen so, dass jeder die Antwort nachprüfen kann. Der Weg dahin ist immer derselbe: aus einer Beobachtung eine Frage machen, daraus eine widerlegbare Vermutung, dann ein Experiment, in dem genau eine Größe verändert wird. Die Messwerte kommen mit Einheiten in eine Tabelle und danach in ein Diagramm; weil jede Messung eine Abweichung hat, misst man mehrfach und gibt an, wie genau der Wert ist. Und weil die Wirklichkeit zu kompliziert ist, arbeitet Physik mit Modellen, zu denen immer die Frage gehört, wo sie aufhören zu passen. Ein Versuch, der die Vermutung widerlegt, ist dabei kein Misserfolg, sondern der eigentliche Fortschritt.