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Theorieblatt: Zehnerpotenzen, Präfixe und Grössenordnungen Zehnerpotenzen (an Beispielen): 102 = 100 103 = 1 000 105 = 100000 1010 = 10 000000000 10-1 = 0,1 10-2 = 0,01 10-3 = 0,001 10-7 = 0,0000001 10n, n positiv, ist eine Eins mit n Nullen. 101 = 10 und 100 = 1. 10-n bedeutet die Eins an der n-ten Stelle nach dem Komma. Einige Zehnerpotenzen bzw. dann jede dritte können auch durch ein Präfix ausgedrückt werden. Faktor Präfix Kurzzeichen 1012 Tera T 109 Giga G 106 Mega M Faktor Präfix Kurzzeichen 102 Hekto h 101 Deka da 103 Kilo k 10-1 Dezi d 10-3 Milli m 10-2 Zenti c 10-6 Mikro m 10-9 Nano n 10-12 Piko p 10-15 Femto f Gross- und Kleinschreibung ist entscheidend bei den Kurzzeichen. Für Mikro wird der griechische Buchstabe m (sprich: „mü“) benutzt. In der wissenschaftlichen Form werden Zahlengrössen häufig so geschrieben, dass sie eine Stelle vor dem Komma haben und dann mit der entsprechenden Zehnerpotenz multipliziert werden. Beispiele: 1,234567∙104 = 1,234567∙10000 = 12345,67 1,23∙104 = 1,23∙10000 = 12300 1,23∙10-4=1,23∙0,0001 = 0,000123 3∙108 m/s = 3∙100000000 m/s = 300000000 m/s 5,5∙10-7 m = 5,5∙0,0000001 m = 0,00000055 m (gerundeter Wert der Lichtgeschwindigkeit) (Wellenlänge von grünem Licht) 5,98∙1024 kg (Masse der Erde; eine gerundete Zahl mit so vielen Nullen sei hier nicht ausgeschrieben) Wird ein Präfix bei der Einheit verwendet, hat die Zahl in der Regel eine bis drei Stellen vor dem Komma. Beispiele: 2 cl (2 Zentiliter; z.B. Markierungen an kleinen Gläsern) 1,2 mg/cm3 (1,2 Milligramm pro Kubikzentimeter; das ist die Dichte von Luft) 380 kV (380 Kilovolt; Spannung auf einer Hochspannungsleitung) Schon eine Ausnahme (eigentlich nicht einfach, aber gebräuchlich ausgedrückt): 1013 hPa = 1013 mbar (1013 Hektopascal oder Millibar, normaler Luftdruck). Für Längen, Zeiten und Energien seien hier einige Beispiele für das Vorkommen verschiedenster Grössenordnungen genannt. 1∙10-14 m = 10 fm ungefähre Grösse eines Atomkerns (Durchmesser) -10 1∙10 m = 0,1 nm ungefähre Grösse eines Atoms (Durchmesser) -7 5,5∙10 m = 550 nm Wellenlänge von sichtbarem Licht (grün) 7,4∙10-7m = 740 nm= 0,74 mm Spurabstand auf einer DVD -4 1∙10 m = 100 mm = 0,1 mm ungefährer Durchmesser eines menschlichen Haars -4 2,6∙10 m = 260 mm = 0,26 mm Pixelabstand auf einem 17-Zoll-Bildschirm mit Auflösung 1280x1024 Für die Grössenordnungen 1mm, 1cm, 1m bis 1km haben wir ein gutes Vorstellungsvermögen. Sie können für sich selber Beispiele finden. 1,0∙104 bis 1,5∙104 m = 10 bis 15 km Flughöhe von Flugzeugen 5 3,86∙10 m = 386 km Höhe, in der die Internationale Raumstation kreist 6 6,378∙10 m = 6378 km Radius (halber Durchmesser) der Erde am Äquator 3,84∙108 m Entfernung des Mondes von der Erde 1,496∙1011 m (eine astronomische Einheit, 1 AE) Entfernung der Erde von der Sonne 12 4,495∙10 m (30 AE) Entfernung des Neptun von der Sonne 16 3,992∙10 m (4,22 Lichtjahre) Entfernung des nächsten Sterns ausser der Sonne (Proxima Centauri) 21 1∙10 m (etwa 100000 Lichtjahre) geschätzter Durchmesser der Milchstrasse 22 2,364∙10 m (2,5 Millionen Lichtjahre) Entfernung zur Andromeda-Galaxie 2,65∙1026 m (28 Milliarden Lichtjahre) geschätzter Durchmesser des beobachtbaren Universums 1∙10-15 s = 1 fs 1,83∙10-15 s = 1,83 fs 1∙10-10 s = 0,1 ns 3,33∙10-10 s = 333 ps 3,3∙10-5 s = 33 ms kürzeste machbare Laserpulse in der Ultrakurzzeitspektroskopie Periodendauer von sichtbarem Licht (grün) Genauigkeit von Atomuhren an einem Tag Taktzeit eines 3GHz (3 Gigahertz) Prozessors Periodendauer des höchsten hörbaren Tons (30 Kilohertz) -3 5∙10 s = 5 ms Flügelschlag einer Biene (200 pro Sekunde) -3 8∙10 s = 8 ms Verschlusszeit einer Fotokamera bei 1/125 3∙10-2 s = 30 ms Wahrnehmungs-Unterscheidungslimit in zeitlicher Abfolge von Tönen und Geräuschen 3,3∙10-2 s = 33 ms Periodendauer des tiefsten hörbaren Tons (30 Hertz) 1,2∙10-1 s = 0,12 s Umdrehung einer CD (beim Lesen innen) -1 -1 2,0 ∙10 s bis 6,7∙10 s = 0,2 bis 0,67 s ein Beat in zeitgenössischer Tanzmusik Die Grössenordnungen 1 Sekunde, 1 Minute, 1 Stunde, 1 Tag, 1 Jahr bis ca. 100 Jahre sind gut vorstellbar. Wieviele Sekunden sind das jeweils – in Zehnerpotenzschreibweise? Auch hier können Sie selber Beispiele für Abläufe finden, die je etwa so lange dauern. 5,197∙109s (164,8 Jahre) ein Umlauf des Neptun um die Sonne 7∙1011 s (22000 Jahre) so lange ist die letzte Eiszeit etwa her 12 5∙10 s (160000 Jahre) Alter der Spezies homo sapiens 7,13∙1015 s (226 Millionen Jahre) Umlaufzeit der Sonne um das galaktische Zentrum 1,4∙1017 s (4,57 Milliarden Jahre) derzeitiges Alter der Sonne 3,5∙1017 s (11 Milliarden Jahre) Hauptbrennphase (Leuchtdauer) eines Sterns wie der Sonne 17 4,4∙10 s (14 Milliarden Jahre) Alter des Universums (Zeit seit dem Urknall) nach derzeitiger Theorie Die Einheit der Energie ist Joule (J). 1,1∙10-6 J = 1,1 mJ Energie eines Protons am Large Hadron Collider (ein Speicherring am CERN). Proton ist sehr schnell, aber eben Teilchen ziemlich kleiner Masse. 4,8∙10-2 J = 48 mJ Bewegungsenergie eines Hagelkorns (0,5 Gramm, fällt mit 50 km/h) 4,184 J erwärmt ein Gramm Wasser um ein Grad Celsius 6∙103 J = 6 kJ Energieverbrauch einer 100Watt-Glühlampe in 1 min. 7,72∙105 J = 772 kJ Energie, um ein 1000kg schweres Auto von 0 auf 100km/h zu beschleunigen (ohne Wärme, ohne Reibung) 1∙107 J = 10 MJ (etwa 2400 Kilokalorien) durchschnittlicher täglicher Energiebedarf eines Menschen 10 1,44∙10 J = 14 GJ (4000 Kilowattstunden) jährlicher Stromverbrauch eines 4-Personen-Haushalts 16 1,8∙10 J (5 Milliarden Kilowattstunden) jährliche Produktion des Kernkraftwerks Beznau 3,86∙1026 J Energiefreisetzung der Sonne pro Sekunde