Sexl Physik 5 RG, Schulbuch

Die Sekunde (abgekürzt s) ist im Internationalen Einheitensystem (SI-System, siehe Kasten S. 14) die Einheit für die Zeit. Der Anspruch an die Genauigkeit der Messung hat sich in den letzten Jahrzehnten erhöht. Daher wird seit 1967 die Dauer einer Sekunde mittels Atomuhren festge- legt. Dabei nutzt man Licht, das von Cäsium-Atomen abgestrahlt wird, und die Tat- sache, dass Schwingungen des Lichts völlig gleichmäßig erfolgen. Atomuhren, wie sie etwa für das GPS-System verwendet werden, sind so genau, dass sie erst nach 10000 Jahren einen Fehler von maximal 1 s aufweisen würden. Präzisionsuhren, wie sie in der Forschung verwendet werden, sind noch wesentlich genauer. Die Zeitangabe, die wir mittels Funkuhren oder über Radio, Fernsehen oder Internet erhalten, erfolgt aufgrund eines weltweiten Netzes von mehr als 260 Atomuhren. Dieses Zeitsystem wird als Weltzeit oder Coordinated Universal Time (UTC) bezeichnet. Die Atomuhren zeigten, dass die Erddrehung langsamer wird. Ein mittlerer Sonnentag hat daher nicht exakt 86400 Sekunden, sondern etwas mehr. Zu Jahresende wird daher hin und wieder eine Schaltsekunde eingefügt, d. h. der Silvestertag hat dann 86401 Sekunden. Von 1995 bis 2010 gab es sechs Schalt- sekunden. In der Physik untersucht man sehr große, aber auch winzig kleine Zeiträume: Das Weltall existiert nach heutiger Ansicht ca. 13 Milliarden Jahre, manche Elemen- tarteilchen zerfallen nach einigen milliardstel Sekunden. Verwenden von Zehnerpotenzen Für die Darstellung sehr kleiner oder sehr großer Zahlen benutzt man häufig die Schreibweise mit den Potenzen der Zahl 10 ( 11.3 ). Die Zahl 10 4 bedeutet 10 · 10 · 10 · 10 = 10 000. Eine negative Hochzahl mit der Basis 10 bedeutet den Kehrwert der Zahl mit der positiven Hochzahl, also 10 –4 = 1/10 4 = 1/10 000. Das Alter des Weltalls von 13 000 000 000 Jahren kann daher auch als 13 · 10 9 oder 1,3 · 10 10 Jahre geschrieben werden. Der Durchmesser eines Urankerns beträgt ca. 15 · 10 – 15 m = 0,000 000 000 000 015m. Untersuche, überlege, forsche: Zeitmessung 11.1 W 1 Überprüfe die Behauptung: Ein guter Näherungswert für die Dauer eines Jah- res von 365 Tagen in Sekunden ist π · 10 7 Sekunden. 11.2 Bei Reisen über große Distanzen müssen die Zeitzonen beachtet werden. Die Weltzeit (UTC) stimmt mit der lokalen Uhrzeit (GMT = Greenwich Mean Time) am nullten Längengrad (Meridian der Sternwarte Greenwich in London) überein. W 2 a) Überlege, warum Zeitzonen eingeführt wurden. W 1 b) Finde heraus, wie die Mitteleuropäische Zeit (MEZ) definiert ist. S 2 c) Beschreibe Auswirkungen der Unterschiede der lokalen Zeiten auf Men- schen bei Fernreisen und im Geschäftswesen. 11.3 S 2 Recherchiere, wie Funkuhren in Mitteleuropa synchronisiert werden. Experiment: Dauer einer Pendelschwingung 11.1 Du brauchst: Eine 1m lange Schnur, einen „Pendelkörper“ (z. B. Metallkugel), eine Stoppuhr. E 1 a) Fertige ein Pendel an. Miss die Dauer einer Pendelschwingung mittels Stoppuhr. Arbeitet in Teams und vergleicht die Ergebnisse. Diskutiert, wie eventu- elle Unterschiede in euren Messdaten zustande kommen können und wie genau das Ergebnis überhaupt sein soll. E 1 b) Die Genauigkeit einer Messung kannst du verbessern, indem du die Dauer von mehreren Schwingungen misst und das Ergebnis durch die Zahl der Schwin- gungen dividierst (Mittelwert berechnen!). Durch mehrmalige Wiederholung der Messung kannst du den Mittelwert und die maximale Abweichung davon bestim- men (s. Kasten S. 14). E 2 c) Diskutiert mögliche Fehlerquellen und das Resultat. 11.1 Die Kenntnis des Stands der Sonne zu ver- schiedenen Tageszeiten und im Laufe eines Jahres ermöglicht die Bestimmung der Zeit. Bastle selbst eine Sonnenuhr! 11.2 Die primäre Atomuhr, mit der die UTC rea- lisiert wird. Die Uhr befindet sich in der Physi- kalisch Technischen Bundesanstalt in Braun- schweig. Die Atomuhr des Labors ist mit Uhren anderer Labors weltweit synchronisiert. Von den Labors wird die Zeitangabe per Funk an die einzelnen Landesstellen weitergegeben. Vorsilbe Abkürzung Faktor Tera T 10 12 Giga G 10 9 Mega M 10 6 Kilo k 10 3 Hekto h 10 2 Deka da 10 1 Dezi d 10 –1 Zenti c 10 –2 Milli m 10 –3 Mikro µ 10 –6 Nano n 10 –9 11.3 Es ist üblich, Vielfache oder Teile der festgelegten Maßeinheit mit bestimmten Vor- silben zu benennen, die durch ein internatio- nales Übereinkommen geregelt sind. 11 | GRÖSSENORDNUNGEN Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv