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Das Kilogramm

1.Welche physikalische Größe wird damit gemessen?
Die physikalische Größe, die mit Kilogramm gemessen wird, ist die Masse.
Weder der Physiker noch der Philosoph können sagen, was genau Masse eigentlich ist. Das physikalische Phänomen Masse wurde bis heute nicht vollständig geklärt, obwohl sich dieser Begriff als sehr zweckmäßig zur Beschreibung unserer Umwelt erwiesen hat und die Menschheit schon sehr früh ein gebräuchliches Verfahren zur Bestimmung von Massen, nämlich die Wägung entwickelt hat.
Man suchte so etwas wie einen Mengenbegriff, eine Quantität der Materie. Das Wort Masse stammt wahrscheinlich aus dem Griechenland des Altertums, wo es die Bedeutung „Brot oder Brotteig“ hatte. Selbst wir kennen ungesalzenes Brot noch als Mazze. Das entsprechende Verb bedeutet kneten und findet sich noch heute in „massieren wieder.
Um 1700 führte Isaac Newton den Massebegriff in seiner heutigen Bedeutung in die klassische Physik ein. Masse ist dabei nicht erfassbar; sie hat nichts mit Anfassen zu tun (auch Gase besitzen Masse). Von der äußeren Form der Materie hängt die Masse ebenfalls nicht ab. Die Masse eines Schwammes, der zusammen gedrückt wird oder die eines Würfelzuckers, der im Tee aufgelöst wird, bleibt unverändert. Wahrnehmbar sind nur ihre beiden physikalischen Wirkungen Schwere und Trägheit.
Quelle: Hoppe/Mönter: Das internationale Einheitensystem SI
Messen mit Maßen – Maße zum Messen
2. Wie lauten die Abkürzungen für die physikalische Größe und für die Einheit?
Die Abkürzung für die physikalische Größe „Masse“ lautet „m“. Die Abkürzung für „Kilogramm“ ist „kg“. Kilogramm ist eine der sieben Basiseinheiten des aus dem metrischen System weiterentwickelten internationalen Einheitensystems SI (Système International d’Unités).

Weitere Abkürzungen:
Gramm: g
Tonne: t
metrisches Karat: Karat, Kt und ct
atomare Masseneinheit: u
Quelle: Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin
Die Gesetzlichen Einheiten in Deutschland
3.Woher kommt der Name der Einheit?
Der Name Gramm kommt aus dem Griechischen. Es stammt vom Wort grámma „Gewicht von 1/24 Unze“, eigentlich „Geschriebenes“.
Aus: Der Brockhaus multimedial 2000
4.Die frühere Krafteinheit 1 Kilopond
Zunächst wurde die Krafteinheit über die Gewichtskraft definiert.
Man wählte als Bezugspunkt einen fiktiven Ort, an dem eine Norm- Gewichtskraft des Kilogramms wirkt. Da die Gewichtskraft einer Masse eng mit der Fallbeschleunigung in Verbindung steht, welche sich sehr präzise bestimmen läßt, charakterisierte man den fiktiven Ort durch einen bestimmten Wert der Fallbeschleunigung (9,806655 m/s²). So entstand die Krafteinheit 1 Kilopond, die der Gewichtskraft der Masse 1 kg an dem Normort entspricht.
Festgelegt wurde dies 1901 durch die 3. Generalkonferenz für Maß- und Gewichtseinheiten.
5.Beispiele für Einheiten in den USA und England sowie im internationalen Gebrauch.
Das Internationale Einheitensystem SI ist von großer Bedeutung für Wirtschaft und Handel und ist weltweit von der nationalen und internationalen Normung übernommen worden (z.B. ISO 1000 oder DIN 1301). In den EG-Mitgliedstaaten ist das SI Einheitensystem sogar die Grundlage für die Richtlinie über Einheiten im Meßwert.
Das Gesetz über Einheiten im Meßwesen ist die Rechtsgrundlage für die Angabe physikalischer Größen in gesetzlichen Einheiten in der Bundesrepublik Deutschland. Dort ist man im geschäftlichen und amtlichen Verkehr zu ihrer Anwendung verpflichtet.
Jedoch haben nicht alle Länder das einheitliche Meßsystem übernommen.

Im internationalen Gebrauch sind die gesetzlichen Einheiten:
Kilogramm (kg)
Gramm (g), 1 g = 10-3 kg

Tonne (t), 1 t = 10³ kg
metrisches Karat (Karat, aber auch Kt und ct möglich), welche eine Einheit ausschließlich für Edelsteine ist.
atomare Masseneinheit (u), 1u = 1,6605655 · 10-27 kg
In den USA werden die nicht gesetzlichen Einheiten
ounce (avoirdupois), (Abkürzung: oz). 1 oz = 28,3495 · 10-3 kg = 28,3495 g und
troy ounce (oz tr), zur Bestimmung der Masse von Gold angewandt. 1 oz tr = 31,10 · 10-3 kg = 31,10 g.

In England wird die nicht gesetzliche Einheit:
pound (lb) gebraucht. 1 lb = 0,453359237 kg = 453,59237.
Quelle: Physikalisch Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin
Die Gesetzlichen Einheiten in Deutschland
6.Wann wurde das Kilogramm in Deutschland eingeführt?

1960 waren die 10.und 11.Generalkonferenz über die SI- Einheiten und besonders über die Festlegung von Masse und Gewicht. Das Kilogramm wurde jedoch erst später, am 7.April 1795 mit dem Meter zusammen eingeführt. Seit der Generalkonferenz für Maß und Gewicht im Jahre 1889 ist die Einheit wie folgt definiert:
„Das Kilogramm ist die Einheit der Masse; es ist gleich der Masse des Internationalen Kilogrammprototyps.“
Das internationale Kilogrammprototyp ist ein Zylinder mit 39 mm Höhe und 39 mm Durchmesser. Es besteht aus einer Legierung aus einer 90% Platin und 10% Iridium und hat eine Dichte von ca. 21500 kg/m³. Es wird im Büro für Maß und Gewicht in Sevres bei Paris aufbewahrt. Die nationalen Kilogrammprototypen der Staaten der Meterkonvention werden durch Kopien aus gleichen Material dargestellt.
Das internationale Kilogrammprototyp der Bundesrepublik Deutschland wird unter zwei Glasglocken bei normalen Umgebungsbedingungen in der PTB Braunschweig aufbewahrt. Etwa alle 10 Jahre wird es mit dem internationalen Prototyp verglichen. Die Hauptnormale aus Edelstahl werden jährlich an das nationale Prototyp angeschlossen.
7.Wie ist das Kilogramm im Laufe der Zeit definiert worden?

(nur zwei Definitionen!)
Bis Ende des 17. Jahrhunderts besaß jedes Land eine oder mehrere Masseneinheiten. Dies wirkte sich jedoch sehr problematisch für den überregionalen Handel aus. 1790 bemühte sich die französische Akademie der Wissenschaft darum, eine allgemein akzeptable Einheit für Länge und Masse zu finden. Man suchte nach einem Naturmaß, dass einfach in der Anwendung und überall auf der Welt nachzubilden war und verfiel auf die Masse eines bestimmten Volumens Wasser.
Der französische Nationalkonvent definierte im Jahre 1795 per Gesetz das Gramm als „absolutes Gewicht“ von 1 cm3 destilliertem Wasser, das im Volumen einem Würfel von 1 cm Kantenlänge entsprach. Anfangs war die Definition auf die Temperatur des schmelzenden Eises bezogen. Später wurde sie auf die Temperatur größter Dichte (~ 4°C) geändert. Diese Definition hatte offenbar den Vorteil, an jedem Ort und zu jeder Zeit reproduzierbar zu sein. Bald wurden jedoch Nachteile erkannt, die bei weitem überwogen.
Erstens war durch die oben gegebene Definition die Masseneinheit an die Längeneinheit gebunden. Die kleinste Abweichung an den drei Kantenlängen hatte einen Volumenfehler zur Folge. Zweitens setzte die Definition voraus, dass Wasser immer die gleiche Zusammensetzung hat. Heutzutage weiß man, dass Wasser nicht gleich Wasser ist, da sich Wassermoleküle aus unterschiedlich schweren Wasserstoff- und Sauerstoffatomen zusammensetzen können. Eine Meßunsicherheit von einem Millionstel, also 10-6, kann allein durch eine derartige Abweichung entstehen.
Eine absolut genaue Messung ist folglich unmöglich und entsprach bald nicht mehr den gesteigerten Anforderungen an Genauigkeit.
Vor 1799 hatte man bereits einen Platinzylinder von 1000 Gramm angefertigt, dessen Masse aber nicht genau einem kg entsprach. Da man mit ihm bereits zahlreiche Messungen durchgeführt hatte, wollte man ihn nur ungern verändern und deklarierte ihn 1799 als Kilogramm des Archives.
Im Jahre 1889 wurde einer der etwa 40 im Jahre 1875 aus einer Platin- Iridium- Legierung

hergestellten Prototypen ausgewählt um auf der ersten Generalkonferenz für Maß und Gewicht zum Urkilogramm ernannt zu werden. Bis heute ist es nicht gelungen, eine unveränderliche Naturkonstante für Masse zu finden, wie es bei der Längeneinheit in Form der Lichtwellenlänge möglich war. Die Definition der Masse wurde daher unverändert in das neue Einheitensystem übernommen und lautet ganz einfach:
1 Kilogramm ist die Masse des internationalen Kilogrammprototyps.
Quelle: Hoppe/Mönter: Das internationale Einheitensystem SI
Messen mit Maßen – Maße zum Messen
8.Erklärt den prinzipiellen Unterschied zwischen Balken- und Federwaagen.
Mit einer Waage kann man beliebige feste Körper, Flüssigkeiten, sogar Gase in bezug auf Massen vergleichen.
Als Meßgerät für das Gewicht wird schon seit mehr als 10.000 Jahren die einfache Balkenwaage benutzt, die einfachste Form einer Waage.
Außerdem gibt es noch die Federwaage, die das Gleichgewicht eines Körpers aus der elastischen Verformung einer Feder ermitteln kann. Sie ist ein Kraftmesser und gibt diese Kranft in Newton an. Das Gewicht, daß in kg angezeigt wird, ist die Kraft mit der ein Körper angezogen wird. Kraft und Gewicht können dadurch bestimmt werden. Je größer das Gewicht ist, desto länger die Feder.
Mit der Balkenwaage werden 2 Gewichte miteinander verglichen und nicht gemessen. Es gibt einen Drehpunkt in der Mitte des Balkens. Dieser Massenvergleich ist am bequemsten. Die Massen der Körper sind gleich, wenn der Balken im Gleichgewicht ist. Die Wägung der Balken ist überall gleich.
Jedoch bei der Federwaage gleicht die Kraft der Feder im Meßgerät das Gewicht aus. Die Feder ist dehnbar. Es gibt eine Skala wo die Anzahl der Newton angezeigt wird. Der Druck des Körpers auf die unter ihm gesetzte Feder oder Kraft, welche die Feder auseinanderzieht ist gleich dem Gewicht des Körpers. Dadurch wird das Gegengewicht auch angezeigt. Es werden 2 Kräfte gemessen: Der Druck einer Last auf die Waagschale und die Einwirkung der Waagschale auf die Last! Dies ist die „Wirkung und Gegenwirkung“.
9.Nennt Beispiele für abgeleitete oder zusammengesetzte Einheiten mit der Einheit Kilogramm.
In der Physik gibt es sehr viel abgeleitete oder zusammengesetzte Einheiten mit der Einheit Kilogramm. Die wichtigsten sind Kraft, Arbeit, Leistung, Dichte und Druck. (und Konzentration.
Größe Formelzeichen Einheit Eigener Einheitenname Kraft F N= kg m s-2 Newton Arbeit W J= kg m s-2 Joule Leistung P W=Js-1=kg m² s-3 Watt Dichte Kg m-3 Druck p Pa=Nm-2=kg m-1 s-2 Pascal
10.Was ist die Gravitation und die Gravitationskonstante?

Gravitation ist eine der vier Grundkräfte der Natur. Auf diese Kräfte lassen sich alle Vorgänge, ob im kosmischen oder atomaren Maßstab, zurückführen. Sie lauten:
Die starke Kraft bzw. Wechselwirkung, sie hält die Kernteilchen im Atom zusammen und auch die Quarks in einem Proton oder Neutron. Sie wirkt nur auf kürzesten Entfernungen.
Elektromagnetische Kraft, sie ist etwa 100mal schwächer als die starke Wechselwirkung. Sie bindet die Elektronen an den Atomkern.
Die schwache Wechselwirkung ist verantwortlich für die Umwandlung eines Quarks in ein anderes oder die Umwandlung eines Protons in ein Neutron und umgekehrt. Sie ist 1000mal schwächer als die elektromagnetische Kraft.
Die Gravitation, sie ist etwa 1035 mal schwächer als die schwache Wechselwirkung! Doch ist sie die bestimmende Kraft zwischen Massen und wirkt über große Distanzen.
Wie man leicht erkennen kann, ist die Gravitation eine ausgeprägt schwache Kraft. Im Bereich der Atome spielt sie praktisch keine Rolle, denn hier sind die anderen Wechselwirkungen zu Hause. Doch in kosmischen Größenordnungen ist sie unbestreitbar die vorherrschende Macht. Sie läßt Sterne entstehen und erstrahlen, sie schafft Planeten, wodurch erst das Leben ermöglicht wird. Sie kann sich zu unvorstellbar hohen Werten aufaddieren, wenn sie aus massereichen Sternen ungeheuer kompakte Objekte wie Neutronensterne erschafft. Sie setzt sich selbst die Krone auf, wenn sie im Zentrum einer Galaxie ein "Monster" von milliardenfacher Sonnenmasse, ein Schwarzes Loch, entstehen läßt. Dann hat sie ihre Macht endgültig bewiesen, es ist ihr Sieg über die Materie. Von dieser Macht ist in den vorliegenden Kapiteln die Rede.

Gravitation ist eine Massenanziehung, die von jeglicher Materie ausgeht. Zwei Massen m1 und m2 ziehen sich mit einer Kraft F an, die proportional den beiden Massen und umgekehrt proportional dem Quadrat ihres Abstandes ist:

F = G m1m2 / r2
In diesem Newtonschen Gravitationsgesetz ist G die Gravitationskonstante (G = 6.67259 ·10-11Nm2kg-2 ), deren Wert man nur experimentell ermitteln kann.

Gravitation wirkt immer anziehend, es gibt keine abstoßenden Wirkungen, obwohl eine Ausnahme existiert: die negative Energie. Jede Masse ist von einem Gravitationsfeld umgeben, in welchem man an jeder Stelle im Abstand r eine Feldstärke G zuordnen kann: G = m / r 2.Unter dem Gravitationspotential U versteht man die Arbeit, die von der Gravitationskraft der Masse geleistet werden muß, um einen Gegenstand aus unendlicher Entfernung bis zur betrachteten Stelle zu ziehen:

U = -G m / r
Das negative Vorzeichen weist darauf hin, daß bei der Annäherung (Gravitations-) Energie freigesetzt wird.

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