Messtechnik

Bei Experimenten werden physikalische Größen gemessen. In der DIN 1319 sind die verschiedenen Begriffe rund um die Messtechnik genau erläutert.

Messgeräte

Physikalische Größen werden mit Messgeräten aufgenommen. Ein einfaches Messgerät ist das Lineal, mit dem die physikalische Größe „Länge“ ermittelt werden kann. Bei den Messgeräten wird zwischen analogen und digitalen Messgeräten unterschieden. Analoge Messgeräte (analog → entsprechend, kontinuierlich) zeichnen sich durch einen stufenlos ablesbaren Anzeigewert aus. Die digitalen Messgeräte (digitus → Finger) können hingegen die Messwerte nur stufenweise anzeigen. Außerdem wird zwischen direkten und indirekten Messgeräten unterschieden. Mit dem Lineal kann die Länge direkt gemessen werden. Mit dem klassischen Fieberthermometer hingegen wird die Ausdehnung der Flüssigkeit gemessen und aufgrund des eindeutigen Zusammenhangs zwischen der Ausdehnung der Flüssigkeit (Volumen) und der Temperatur wird die (Körper-)Temperatur indirekt gemessen.

Messwert

Der Messwert wird während einer Messung von einem Messgerät abgelesen oder aufgenommen. Der Zahlenwert wird um die entsprechende Einheit ergänzt. Hier muss auf den Messbereich des Geräts geachtet werden:

Ein Maßstab (Metermaß) hat normalerweise eine Länge von zwei Metern, unterteilt mit Strichen für Zentimeter und Millimeter. Hier ist es relativ klar, welche Größeneinheit gemessen wird. Bei einem Spannungsmessgerät kann das durchaus anders sein: Steht die Skala auf \(\mu V\) (Mikrovolt), \(mV\) (Millivolt) oder \(V\) (Volt)? Nur mit sinnvoller Skala und Einheit ergibt der Messwert Sinn.

Messgenauigkeit

Beim Ablesen des Geodreiecks kann man auch zu dem Schluss kommen, dass eher Zahlenwert 6 und zusätzlich 4 Striche abgelesen werden sollten. Dies ist eine zufällige Messabweichung. Das Ergebnis der Längenmessung kann also 6,3 cm oder 6,4 cm betragen. Wie ist das Ergebnis 6,3 cm zu deuten? Sind es genau 6,3 cm oder vielleicht auch 6,34 cm?

Alle Messgeräte haben eine Auflösung, beim Geodreieck beträgt die Genauigkeit 1 mm, dazwischen kann nur noch abgeschätzt werden, ein Messschieber hat eine Auflösung von 1/10 mm. Das analoge Thermometer hat eine Auflösung von 0,1 °C; das digitale ebenfalls, allerdings lässt sich beim digitalen Thermometer nicht feststellen, ob der Messwert eher zu 36,7 °C oder 36,9 °C tendiert. D.h. das digitale Thermometer gibt uns nur das bereits gerundete Ergebnis an, ohne uns mitzuteilen, in welche Richtung die Zahl gerundet wurde.

Die Angabe des Messwertes orientiert sich damit an der Genauigkeit des Messgerätes. So kann die Angabe 5 m Werte zwischen 4,5 m und 5,4 m enthalten, bei der Angabe 5,0 m aber nur noch zwischen 4,95 m und 5,05 m. Somit ist es in der Physik ein inhaltlicher Unterschied, ob Sie als Ergebnis 5 m oder 5,0 m angeben, im Gegensatz zu der mathematisch identischen Aussage. Dies nennt man einerseits das „Konzept der gültigen Stellen“ und das „Konzept der gültigen Ziffern“.

Grob gesprochen gibt man in der Physik nie ein Ergebnis mit mehr Ziffernstellen an als der ungenaueste Wert in der Angabe besitzt.

Beispiel:

Ein Mann geht 827 Sekunden mit der Geschwindigkeit \(v=1{,}5\frac{m}{s}\) spazieren. Welche Entfernung legt er zurück?

Falsch: \(s=v \cdot t=1{,}5\frac{m}{s} \cdot 827\:s=1240{,}5\: m\)

Korrekt: \(s=v \cdot t=1{,}5\frac{m}{s} \cdot 827\:s=1240{,}5\: m\approx 1{,}2\:km\)