Physik · Vorwissen — Auffrischung aus der Sek I

0.1 Rechnen und Schliessen

Die Rechenwerkzeuge aus der Sek I und die Denkschritte dahinter — Proportionalität, Formeln umstellen, sauber schliessen und jedes Resultat prüfen.

🧭 Vorwissen aus der Sekundarstufe I — kein RLP-Lerngebiet
  • direkte und indirekte Proportionalität erkennen und mit dem Dreisatz rechnen
  • Flächen- und Volumenformeln anwenden (Rechteck, Kreis, Quader, Zylinder) und zwischen Kubikmetern und Litern umrechnen
  • mit der Kreiszahl π, dem Umfang und dem Bogenmass umgehen
  • Brüche, Potenzen und Zehnerpotenzen sicher verwenden — inklusive wissenschaftlicher und Engineering-Schreibweise
  • Formeln nach einer Grösse auflösen und Resultate sinnvoll runden
  • «Je … desto»-Aussagen deuten und dabei Ursache und Wirkung sauber trennen
  • Variablen und Konstanten in Formeln unterscheiden und einer Herleitung Schritt für Schritt folgen
  • proportional schliessen und einfache Verhältnisrechnungen (Dreisatz) durchführen
  • Bedingungen prüfen und Fallunterscheidungen treffen («gilt nur, wenn …»)
  • ein Ergebnis mit Grössenordnung, Einheiten-Check und Gegenrechnung auf Plausibilität kontrollieren
💡 Lieber geführt durcharbeiten?

Diese Seite ist zum Nachschlagen gebaut: hineinspringen, einen Abschnitt lesen, weitergehen. Aus dieser Seite stecken im Leitprogramm «Grössen, Messen, Druck» vor allem die Schritte 3 und 4: Fläche und Volumen umrechnen sowie Runden auf drei signifikante Stellen. Der Rest — Dreisatz, Umstellen, Plausibilität — steht nur hier.

🎯 Lernziele — das kann ich nach dieser Seite
  • Ich kann direkte und indirekte Proportionalität an Alltagsbeispielen erkennen und damit rechnen.
  • Ich kann Flächen und Volumen von Rechteck, Kreis, Quader und Zylinder berechnen und zwischen m³ und Litern umrechnen.
  • Ich kann Winkel in Grad und im Bogenmass angeben und Bogenlängen mit \(s = r \cdot \varphi\) berechnen.
  • Ich kann Zahlen in wissenschaftlicher und in Engineering-Schreibweise schreiben und mit Zehnerpotenzen rechnen.
  • Ich kann eine Formel Schritt für Schritt nach jeder ihrer Grössen auflösen.
  • Ich kann Resultate nach Kommastellen oder nach signifikanten Stellen runden und weiss, was in der Physik üblich ist.
  • Ich kann in einer Je-desto-Aussage Ursache, Wirkung und die konstant gehaltenen Grössen benennen.
  • Ich kann in einer Formel entscheiden, welche Grössen Variablen und welche Konstanten sind — je nach Situation.
  • Ich kann eine kleine Herleitung Schritt für Schritt nachvollziehen und jeden Schritt begründen.
  • Ich kann mit dem Dreisatz proportional schliessen und weiss, wann der Dreisatz nicht erlaubt ist.
  • Ich kann eine Bedingung prüfen und eine Fallunterscheidung sauber durchführen.
  • Ich kann ein Resultat mit Grössenordnung, Einheiten-Check und Gegenrechnung kontrollieren.

Einstieg — Doppelt so tief, doppelt so viel Druck

Beim Schnorcheln spürst du es sofort in den Ohren: Je tiefer du tauchst, desto stärker drückt das Wasser. Und zwar sehr regelmässig — pro Meter Tiefe kommt immer gleich viel Druck dazu, nämlich rund \(9.81\;\text{kPa}\) (1 Kilopascal = 1000 Pascal):

\[ p_S = 9.81\;\frac{\text{kPa}}{\text{m}} \cdot h \]

In \(2\;\text{m}\) Tiefe ist der Schweredruck also doppelt so gross wie in \(1\;\text{m}\), in \(4\;\text{m}\) viermal so gross. Dieses Muster — «doppelter Einsatz, doppelte Wirkung» — heisst Proportionalität, und es steckt in fast jeder Physik-Formel. Wer es sicher erkennt, hat den halben Physik-Werkzeugkasten schon in der Hand.

🧪 Phänomen

Vier Alltags-Erfahrungen mit demselben mathematischen Kern:

  • Einkaufen — doppelte Menge Äpfel, doppelte Kosten. Der Preis (Franken je Kilogramm) bleibt gleich.
  • Tauchen — doppelte Tiefe, doppelter Druck. Der Druck wächst mit der Tiefe.
  • Butter aufs Brot — du hast immer gleich viel Butter. Je grösser die Fläche, auf der du sie verteilst, desto dünner die Schicht. Doppelte Fläche → halb so dicke Schicht.
  • Unterwegs — bei fester Strecke: doppeltes Tempo, halbe Fahrzeit.

Die ersten beiden sind direkt proportional, die letzten beiden indirekt — beides schauen wir uns jetzt genauer an.

Warum gerade diese Beispiele? Weil bei allen vieren beide Grössen stetig sind: Fläche, Dicke, Tempo und Zeit können jeden Zwischenwert annehmen. Beim Flaschenzug oder beim Fahrradgang stimmt der Zusammenhang «weniger Kraft, mehr Weg» zwar auch — aber es gibt nur ganze Rollen und ganze Gänge. Man kann dort nicht stufenlos verdoppeln, und genau das braucht man, um Proportionalität als Kurve zu verstehen.

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

In \(3\;\text{m}\) Wassertiefe beträgt der Schweredruck rund \(29.4\;\text{kPa}\). Wie gross ist er in \(6\;\text{m}\) Tiefe?

  • \(29.4\;\text{kPa}\)
  • \(58.9\;\text{kPa}\)
  • \(88.3\;\text{kPa}\)
Lösung anzeigen
B. Doppelte Tiefe → doppelter Druck: \(2 \cdot 29.4\;\text{kPa} \approx 58.9\;\text{kPa}\) (genau: \(9.81 \cdot 6 = 58.86\)).
Lückentext

Beim Tauchen gilt: doppelte Tiefe → Schweredruck.

Lösung anzeigen
doppelter — Druck und Tiefe sind direkt proportional.
Kurze Rechnung

Berechne den Schweredruck in \(5\;\text{m}\) Tiefe mit \(p_S = 9.81\;\frac{\text{kPa}}{\text{m}} \cdot h\).

Lösung anzeigen
\(p_S = 9.81 \cdot 5 = 49.05 \approx 49.1\;\text{kPa}\).
Transfer

Der Luftdruck an der Erdoberfläche beträgt rund \(100\;\text{kPa}\). In welcher Wassertiefe ist der Schweredruck des Wassers gleich gross?

Lösungsweg anzeigen
Ansatz: \(p_S = 9.81 \cdot h = 100\). Auflösen: \(h = \dfrac{100}{9.81} \approx 10.2\;\text{m}\) — in rund \(10\;\text{m}\) Tiefe lastet zusätzlich «eine ganze Atmosphäre».

Ursache, Wirkung und faire Vergleiche

Eine Wandergruppe steigt zum Grat auf. Wer den schwersten Rucksack trägt, ist als Letzte oben — die Gruppe formuliert es so: «Je voller der Rucksack, desto langsamer die Wanderung.» Ein unscheinbarer Satz, aber er enthält bereits die halbe Physik-Denkweise:

Physik besteht zu einem grossen Teil aus genau solchen Sätzen — nur werden sie später als Formeln geschrieben. Die nächsten Abschnitte frischen genau diese Denkwerkzeuge auf: Ursache und Wirkung trennen, Variablen von Konstanten unterscheiden und proportional schliessen. Danach folgt das Rechenwerkzeug dazu — Flächen und Volumen, Bogenmass, Zehnerpotenzen und das Umstellen von Formeln. Zum Schluss geht es ums Prüfen: Bedingungen kontrollieren, sinnvoll runden und jedes Resultat gegenrechnen.

🧪 Alltags-Check

Drei Je-desto-Sätze aus dem Alltag — bestimme jeweils Ursache, Wirkung und was konstant bleiben muss:

  • «Je stärker ich in die Pedale trete, desto schneller rollt das Velo.» — Ursache: Tretkraft, Wirkung: Tempo; konstant: Strecke, Gegenwind, Velo.
  • «Je länger das Ladekabel eingesteckt ist, desto voller der Akku.» — Ursache: Ladezeit, Wirkung: Ladestand; konstant: Ladegerät, Handy.
  • «Je mehr Personen im Lift stehen, desto näher rückt man zusammen.» — Ursache: Personenzahl, Wirkung: Platz pro Person; konstant: die Grösse der Kabine.
✏️ Mini-Check
Multiple Choice

«Je voller der Rucksack, desto langsamer die Wanderung.» Welche Grösse ist hier die Ursache?

  • Die Masse des Rucksacks.
  • Das Gehtempo.
  • Die Länge der Wanderung.
Lösung anzeigen
A. Die Masse wird aktiv verändert (Ursache), das Gehtempo reagiert darauf (Wirkung). Die Weglänge gehört zu den konstant gehaltenen Grössen.
Lückentext

In einer Je-desto-Aussage nennt der «Je»-Teil die , der «desto»-Teil die Wirkung.

Lösung anzeigen
Ursache — sie ist die Grösse, die verändert wird.
Kurze Rechnung

Eine Wanderin geht mit konstanten \(4\;\text{km/h}\). Welche Strecke schafft sie in \(2.5\;\text{h}\)?

Lösung anzeigen
Ansatz: \(s = v \cdot t = 4\;\text{km/h} \cdot 2.5\;\text{h} = 10\;\text{km}\).
Transfer

«Je steiler der Weg, desto langsamer das Tempo.» Welche Grössen müssen konstant bleiben, damit dieser Vergleich fair ist?

Lösungsweg anzeigen
Alles ausser der Steilheit: gleiche Person, gleicher Rucksack, gleicher Untergrund, gleiches Wetter. Nur die Ursache (Steilheit) darf sich ändern — sonst lässt sich die Wirkung nicht eindeutig zuordnen.

Je-desto und Ursache-Wirkung

📘 Ursache und Wirkung

Eine Je-desto-Aussage verknüpft zwei Grössen: «Je grösser A, desto grösser (oder kleiner) B.» Dabei ist die Ursache die Grösse, die aktiv verändert wird, und die Wirkung die Grösse, die darauf reagiert. Alle übrigen Grössen müssen konstant gehalten werden — sonst ist nicht klar, welche Änderung die Wirkung ausgelöst hat.

📘 Korrelation ist keine Kausalität

Wachsen zwei Grössen gemeinsam, ohne dass die eine die andere verursacht, spricht man von einer Korrelation. Alltagsbeispiel: Im Sommer steigen der Glacé-Verkauf und die Zahl der Sonnenbrände gemeinsam an. Das Glacé verursacht aber keinen Sonnenbrand — beide Grössen haben eine gemeinsame Ursache: das sonnige, heisse Wetter. Eine Je-desto-Beobachtung ist darum noch kein Beweis für eine Ursache-Wirkung-Beziehung; erst wenn nur eine Grösse verändert wird und alle anderen konstant bleiben, wird die Wirkrichtung sichtbar.

Animation 1 · Glacé und Sonnenbrand — die dritte Grösse

✓ Erkenntnis
Was die Punktwolke zeigt
alle 60 Tage zusammen: deutlicher Zusammenhang
Datenpunkte60 Tage
Zusammenhangstark
UrsacheSonnenstunden
📊 Glacé-Verkauf gegen Sonnenbrände — 60 Sommertage

Genau das leistet ein Experiment: eine Grösse wird per Regler verändert, der Rest bleibt fest. Das folgende Beispiel ist ein Klassiker aus der Sek I — eine Schraubenfeder, an die ein Massestück gehängt wird. Die Feder dehnt sich um so mehr, je grösser die angehängte Masse ist.

Animation 2 · Je-desto-Explorer — Federdehnung

✓ Erkenntnis
1.0 kg
Konstante \(D\)25 N/m
Gewichtskraft \(F = m \cdot g\)9.81 N
Dehnung \(x = F/D\)39.2 cm
📈 \(x(m)\) — Dehnung in Abhängigkeit der Masse (Feder fest gewählt)
Dehnung \(x = m \cdot g / D\) aktuell eingestellte Masse
❓ In Dörfern mit vielen Störchen werden mehr Kinder geboren. Bringen also die Störche die Babys?

Nein — das ist das berühmte Schulbeispiel einer Korrelation ohne Kausalität. Beide Grössen hängen von einer dritten ab: Ländliche Dörfer haben mehr Storchennester und traditionell mehr Kinder pro Familie als Stadtquartiere. Die gemeinsame Ursache ist die ländliche Struktur, nicht der Storch. Prüffrage: Könnte man die eine Grösse gezielt verändern und würde die andere dann nachziehen? Hier klar nein.

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

An einer Feder mit \(D = 50\;\text{N/m}\) wird die angehängte Masse verdoppelt. Was macht die Dehnung \(x\)?

  • Sie halbiert sich.
  • Sie verdoppelt sich.
  • Sie bleibt gleich.
Lösung anzeigen
B. Wegen \(x = \dfrac{m \cdot g}{D}\) mit konstantem \(D\): doppelte Masse → doppelte Dehnung.
Lückentext

Wachsen zwei Grössen gemeinsam, ohne dass die eine die andere verursacht, nennt man das — nicht Kausalität.

Lösung anzeigen
Korrelation — wie beim Glacé-Verkauf und den Sonnenbränden (gemeinsame Ursache: das Wetter).
Kurze Rechnung

An eine Feder mit \(D = 25\;\text{N/m}\) wird \(m = 0.8\;\text{kg}\) gehängt. Berechne \(F = m \cdot g\) und die Dehnung \(x = F/D\). (\(g = 9.81\;\text{m/s}^2\))

Lösung anzeigen
\(F = 0.8 \cdot 9.81 = 7.85\;\text{N}\), dann \(x = \dfrac{7.85\;\text{N}}{25\;\text{N/m}} \approx 0.314\;\text{m} \approx 31.4\;\text{cm}\). Vergleiche mit Animation 2.
Transfer

Im Sommer steigen Glacé-Verkauf und Sonnenbrände gemeinsam. Wie könntest du zeigen, dass keine direkte Ursache-Wirkung-Beziehung vorliegt?

Lösungsweg anzeigen
Eine Grösse gezielt verändern und alles andere konstant halten: Verkauft man an einem bewölkten Tag gratis Glacé, gibt es trotzdem keine zusätzlichen Sonnenbrände. Die gemeinsame Ursache (Sonne) fehlt — die Korrelation verschwindet.

Variablen und Konstanten

Formeln wie \(s = v \cdot t\) enthalten mehrere Buchstaben — aber nicht alle spielen dieselbe Rolle. Welche Grösse sich ändert und welche fest bleibt, entscheidet die Situation, nicht die Formel:

📘 Variable und Konstante

Eine Variable ist eine Grösse, die sich im betrachteten Vorgang ändert. Eine Konstante ist eine Grösse, die während des Vorgangs fest bleibt — entweder, weil sie festgehalten wird (die gewählte Feder in Animation 2), oder weil sie eine Naturkonstante ist (\(g = 9.81\;\text{m/s}^2\)). Vor jeder Rechnung lohnt sich die Frage: Was ändert sich hier — und was nicht?

Am Beispiel einer Velofahrt mit \(s = v \cdot t\):

Animation 3 · Was ist konstant? \(s = v \cdot t\) aus zwei Blickwinkeln

✓ Erkenntnis
6 m/s
45 s
Aktuelle Rechnung
konstant istv = 6 m/s
Tempo \(v\)6 m/s
Zeit \(t\)45 s
Strecke \(s = v \cdot t\)270 m
📈 s(t) bei konstantem v — die Zeit t ist die Variable
Strecke \(s\) über der Variablen aktuelles Wertepaar
🔷 Herleitung — von der Definition zu den umgestellten Formeln

Wie kommt man von der Tempo-Definition zu \(s = v \cdot t\) und \(t = s/v\)? In einer sauberen Herleitung passiert pro Zeile genau ein begründeter Schritt:

Ausgangspunkt — Definition des Tempos bei konstanter Geschwindigkeit (Strecke pro Zeit):

\[ v = \frac{s}{t} \]

Schritt 1 — beide Seiten mit \(t\) multiplizieren. Begründung: Äquivalenzumformung; erlaubt, weil \(t \neq 0\) (eine Bewegung ohne Zeitdauer gibt es nicht). Rechts kürzt sich \(t\):

\[ v \cdot t = \frac{s}{t} \cdot t = s \qquad\Rightarrow\qquad s = v \cdot t \]

Schritt 2 — in \(s = v \cdot t\) beide Seiten durch \(v\) teilen. Begründung: Äquivalenzumformung; erlaubt nur, falls \(v \neq 0\) (ein stehendes Fahrzeug kommt nie an). Links kürzt sich \(v\):

\[ \frac{s}{v} = \frac{v \cdot t}{v} = t \qquad\Rightarrow\qquad t = \frac{s}{v} \]

Fazit: Alle drei Formeln \(v = s/t\), \(s = v \cdot t\) und \(t = s/v\) sagen dasselbe — sie sind nur nach verschiedenen Grössen aufgelöst. Wer die Begründung jedes Schritts kennt (was wurde gemacht, warum ist es erlaubt), kann jede Formel selbst umstellen, statt drei Formeln auswendig zu lernen.

❓ Ist die Erdbeschleunigung \(g = 9.81\;\text{m/s}^2\) eine Variable oder eine Konstante?

In allen Rechnungen dieser Seite eine Konstante: An der Erdoberfläche ist \(g \approx 9.81\;\text{m/s}^2\) praktisch fest. Aber «konstant» heisst immer: im betrachteten Vorgang fest. Auf dem Mond gilt \(g_{\text{Mond}} \approx 1.62\;\text{m/s}^2\) — dort wäre dieselbe Formel mit einem anderen (dort wieder konstanten) Wert zu rechnen. Die Rolle einer Grösse hängt also vom Kontext ab.

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Ein Auto fährt mit Tempomat: \(s = v \cdot t\). Welche Grösse ist in dieser Situation konstant?

  • die Strecke \(s\)
  • das Tempo \(v\)
  • die Zeit \(t\)
Lösung anzeigen
B. Der Tempomat hält \(v\) fest; \(t\) und \(s\) sind die Variablen.
Lückentext

Eine Grösse, die sich während des betrachteten Vorgangs ändert, heisst .

Lösung anzeigen
Variable — im Gegensatz zur Konstanten, die im Vorgang fest bleibt.
Kurze Rechnung

Ein Velo fährt mit konstanten \(v = 6\;\text{m/s}\). Welche Strecke legt es in \(t = 45\;\text{s}\) zurück?

Lösung anzeigen
Ansatz: \(s = v \cdot t = 6\;\text{m/s} \cdot 45\;\text{s} = 270\;\text{m}\) — wie in Animation 3.
Transfer

Jetzt sei die Fahrzeit fest: \(t = 1\;\text{h}\). Was bewirkt eine Verdopplung des Tempos \(v\) — und welche Grösse ist nun die Konstante?

Lösungsweg anzeigen
Mit \(s = v \cdot t\) und festem \(t\) verdoppelt sich die Strecke \(s\). Die Rollen haben getauscht: \(t\) ist die Konstante, \(v\) und \(s\) sind die Variablen — dieselbe Formel, anderer Blickwinkel (Ansicht «\(t\) ist konstant» in Animation 3).

Direkte und indirekte Proportionalität

📘 Direkte Proportionalität

Zwei Grössen \(x\) und \(y\) sind direkt proportional, wenn zum Doppelten von \(x\) das Doppelte von \(y\) gehört, zum Dreifachen das Dreifache usw. Dann gilt

\[ y = k \cdot x \qquad \text{mit konstantem Quotienten} \quad k = \frac{y}{x} \]

Der Graph ist eine Gerade durch den Ursprung. Kurzschreibweise: \(y \sim x\). Beispiel Tauchen: \(p_S = 9.81\;\frac{\text{kPa}}{\text{m}} \cdot h\) — der Quotient \(p_S / h\) ist immer \(9.81\;\text{kPa/m}\).

Animation 4 · Direkte Proportionalität — konstanter Quotient

✓ Erkenntnis
2.5 kg
Aktuelle Rechnung
Menge \(m\)2.5 kg
Kosten \(K\)8.00 CHF
Quotient \(K / m\)3.20 CHF/kg
🍎 Am Marktstand
📈 Gerade durch den Ursprung mit Steigungsdreieck
eingestellter Wert Vergleich: doppelter Wert
📘 Indirekte Proportionalität

Zwei Grössen \(x\) und \(y\) sind indirekt proportional (auch: umgekehrt proportional), wenn zum Doppelten von \(x\) die Hälfte von \(y\) gehört. Dann gilt

\[ y = \frac{k}{x} \qquad \text{mit konstantem Produkt} \quad x \cdot y = k \]

Der Graph ist eine Hyperbel. Beispiel: Für eine feste Strecke \(s\) gilt für die Fahrzeit \(t = s / v\) — wer doppelt so schnell fährt, ist in der halben Zeit am Ziel.

Animation 5 · Indirekte Proportionalität — konstantes Produkt

✓ Erkenntnis
100 cm²
Aktuelle Rechnung
Fläche \(A\)100 cm²
Schichtdicke \(d\)1.00 mm
Produkt \(A \cdot d\)10 cm³ Butter
📉 Hyperbel — das Rechteck unter dem Punkt bleibt gleich gross
eingestellter Wert Vergleich: doppelter Wert Rechteck = konstantes Produkt
⚠ Häufiger Fehler

«Mehr ergibt mehr» stimmt nur bei direkter Proportionalität. Bei indirekter Proportionalität heisst «doppelt» nicht «minus die Hälfte irgendwo», sondern exakt halbieren: doppeltes Tempo → halbe Zeit. Und nicht jeder Zusammenhang ist überhaupt proportional — prüfe immer: Ist der Quotient konstant (direkt) oder das Produkt (indirekt)?

❓ Doppeltes Tempo — halbe Fahrzeit. Gilt bei dreifachem Tempo dann ein Drittel der Zeit?

Ja. Bei indirekter Proportionalität ist das Produkt \(v \cdot t\) konstant. Wird \(v\) verdreifacht, muss \(t\) auf einen Drittel schrumpfen, damit das Produkt gleich bleibt. Kontrolle mit Animation 5: bei \(40\;\text{km/h}\) dauert die Fahrt \(3\;\text{h}\), bei \(120\;\text{km/h}\) noch \(1\;\text{h}\).

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Welches Grössen-Paar ist indirekt proportional?

  • Fahrzeit und Tempo bei fester Strecke
  • Preis und Menge beim Einkaufen
  • Schweredruck und Tauchtiefe
Lösung anzeigen
A. Doppeltes Tempo → halbe Zeit (Produkt konstant). Bei B und C ist der Quotient konstant — direkte Proportionalität.
Lückentext

Bei direkter Proportionalität ist der zweier zusammengehörender Werte konstant, bei indirekter das Produkt.

Lösung anzeigen
Quotient — z.B. \(p_S / h = 9.81\;\text{kPa/m}\) beim Tauchen.
Kurze Rechnung

\(3\;\text{kg}\) Äpfel kosten \(8.70\;\text{CHF}\) Wie viel kosten \(5\;\text{kg}\)?

Lösung anzeigen
Dreisatz über den konstanten Quotienten: \(8.70 / 3 = 2.90\;\text{CHF/kg}\), also \(5 \cdot 2.90 = 14.50\;\text{CHF}\)
Transfer

Eine Pumpe füllt ein Schwimmbecken in \(12\;\text{h}\). Wie lange brauchen 3 gleiche Pumpen zusammen — und welche Proportionalität steckt dahinter?

Lösungsweg anzeigen
Indirekte Proportionalität: Anzahl Pumpen \(\cdot\) Zeit ist konstant (\(1 \cdot 12 = 12\)). Also \(t = \dfrac{12}{3} = 4\;\text{h}\).

Proportionales Schliessen — der Dreisatz

📘 Proportionalität

Zwei Grössen sind proportional, wenn ihr Quotient konstant ist: doppelte Menge → doppelter Wert, halbe Menge → halber Wert. Im Diagramm liegen alle Wertepaare auf einer Geraden durch den Ursprung. Beispiele von dieser Seite: Dehnung und Masse an der Feder (\(x/m\) konstant), Strecke und Zeit beim Tempomat (\(s/t = v\) konstant), Preis und Menge beim Einkauf (Kilopreis konstant).

🟢 Beispiel — Dreisatz sauber aufgeschrieben

\(3\;\text{kg}\) Äpfel kosten \(7.50\;\text{CHF}\). Was kosten \(5\;\text{kg}\)? Der Dreisatz führt in zwei Schritten über die Einheit «\(1\;\text{kg}\)»:

Gegeben:

\[ 3\;\text{kg} \;\longrightarrow\; 7.50\;\text{CHF} \]

Schritt 1 — auf 1 zurückführen (beide Seiten durch 3 teilen):

\[ 1\;\text{kg} \;\longrightarrow\; \frac{7.50\;\text{CHF}}{3} = 2.50\;\text{CHF} \]

Schritt 2 — auf die Zielmenge hochrechnen (beide Seiten mal 5):

\[ 5\;\text{kg} \;\longrightarrow\; 2.50\;\text{CHF} \cdot 5 = 12.50\;\text{CHF} \]

Der Zwischenwert \(2.50\;\text{CHF/kg}\) ist der konstante Quotient (Kilopreis) — er macht das Hochrechnen auf jede beliebige Menge erlaubt.

Achtung: Der Dreisatz setzt Proportionalität voraus. Nicht alles im Alltag ist proportional — bei Mengenrabatt sinkt der Kilopreis mit der Menge, und eine Pizza mit doppeltem Durchmesser hat die vierfache Fläche. Vor dem Dreisatz immer fragen: Ist der Quotient wirklich konstant?

Animation 6 · Dreisatz interaktiv — Äpfel einkaufen

✓ Erkenntnis
5.0 kg
Dreisatz Schritt für Schritt
gegeben3 kg → 7.50 CHF
Zwischenschritt: \(1\;\text{kg}\) kostet2.50 CHF
Kosten der Zielmenge12.50 CHF
📈 Kosten in Abhängigkeit der Menge — Ursprungsgerade mit Preis \(2.50\;\text{CHF/kg}\)
Kosten \(K = 2.50\;\text{CHF/kg} \cdot m\) gegeben (\(3\;\text{kg}\), \(7.50\;\text{CHF}\)) Zielmenge
✏️ Mini-Check
Multiple Choice

\(3\;\text{kg}\) Äpfel kosten \(7.50\;\text{CHF}\). Was kostet \(1\;\text{kg}\)?

  • \(2.50\;\text{CHF}\)
  • \(3.00\;\text{CHF}\)
  • \(4.50\;\text{CHF}\)
Lösung anzeigen
A. Auf 1 zurückführen: \(7.50 \div 3 = 2.50\;\text{CHF}\).
Lückentext

Beim Dreisatz rechnet man zuerst auf Einheit zurück und dann auf die Zielmenge hoch.

Lösung anzeigen
eine (\(1\;\text{kg}\), 1 Stück, 1 Sekunde …) — der Wert pro Einheit ist der konstante Quotient.
Kurze Rechnung

Was kosten \(4.5\;\text{kg}\) Äpfel bei einem Kilopreis von \(2.50\;\text{CHF/kg}\)?

Lösung anzeigen
\(2.50\;\text{CHF/kg} \cdot 4.5\;\text{kg} = 11.25\;\text{CHF}\).
Transfer

Eine Pizza mit \(24\;\text{cm}\) Durchmesser kostet \(12\;\text{CHF}\). Jemand rechnet per Dreisatz: «\(48\;\text{cm}\) Durchmesser → \(24\;\text{CHF}\).» Warum sind das keine fairen Kosten?

Lösungsweg anzeigen
Der Belag hängt von der Fläche ab, nicht vom Durchmesser. Doppelter Durchmesser → vierfache Fläche (\(A = \pi r^2\), \(r\) verdoppelt → \(A\) vervierfacht). Preis und Durchmesser sind nicht proportional — der Dreisatz wäre nur über die Fläche erlaubt.

Flächen und Volumen

Physik-Aufgaben brauchen ständig Flächen (Druck = Kraft pro Fläche) und Volumen (Dichte = Masse pro Volumen). Die vier wichtigsten Formeln:

📘 Flächen
\[ \text{Rechteck:}\quad A = a \cdot b \qquad\qquad \text{Kreis:}\quad A = \pi \cdot r^{\,2} \]

Dabei ist \(r\) der Radius des Kreises — der halbe Durchmesser: \(r = d/2\). Einheit der Fläche: \(\text{m}^2\), \(\text{cm}^2\), …

📘 Volumen
\[ \text{Quader:}\quad V = a \cdot b \cdot c \qquad\qquad \text{Zylinder:}\quad V = \pi \cdot r^{\,2} \cdot h \]

Beide folgen demselben Bauplan: Grundfläche mal Höhe. Beim Zylinder ist die Grundfläche der Kreis \(A = \pi r^2\).

🟢 Beispiel — Regentonne mit Einheiten-Umrechnung

Ansatz: Zylinder-Volumen mit \(r = 0.4\;\text{m}\) und \(h = 0.9\;\text{m}\):

\[ V = \pi \cdot r^{\,2} \cdot h = \pi \cdot (0.4\;\text{m})^2 \cdot 0.9\;\text{m} \approx 0.452\;\text{m}^3 \]

Umrechnung in Liter — beim ersten Mal ganz ausgeschrieben:

\[ 1\;\text{m}^3 = 1000\;\text{l} \qquad (1\;\text{dm}^3 = 1\;\text{l},\quad 1\;\text{cm}^3 = 1\;\text{ml}) \] \[ V \approx 0.452 \cdot 1000\;\text{l} = 452\;\text{l} \]

Animation 7 · Zylindertank — Volumen live

✓ Erkenntnis
0.50 m
1.00 m
Aktuelle Rechnung
Grundfläche \(A = \pi r^2\)0.785 m²
Volumen \(V\)0.785 m³
in Litern785 l
🛢 Zylindertank (massstäblich)
✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Der Radius eines Kreises wird verdoppelt. Was passiert mit der Kreisfläche?

  • Sie wird doppelt so gross.
  • Sie wird achtmal so gross.
  • Sie wird viermal so gross.
Lösung anzeigen
C. \(A = \pi r^2\): der Radius steht im Quadrat, also \((2r)^2 = 4 r^2\) — vierfache Fläche.
Lückentext

Es gilt: \(1\;\text{m}^3 = \) Liter.

Lösung anzeigen
1000 — denn \(1\;\text{m}^3 = 1000\;\text{dm}^3\) und \(1\;\text{dm}^3 = 1\;\text{l}\).
Kurze Rechnung

Ein Aquarium ist innen \(40\;\text{cm}\) lang, \(25\;\text{cm}\) breit und \(30\;\text{cm}\) hoch. Wie viele Liter fasst es?

Lösung anzeigen
\(V = a \cdot b \cdot c = 40 \cdot 25 \cdot 30 = 30000\;\text{cm}^3\). Mit \(1000\;\text{cm}^3 = 1\;\text{l}\): \(V = 30\;\text{l}\).
Transfer

Ein zylindrisches Trinkglas hat innen \(8\;\text{cm}\) Durchmesser und \(12\;\text{cm}\) Höhe. Wie viel passt hinein?

Lösungsweg anzeigen
Achtung: Radius = halber Durchmesser, \(r = 4\;\text{cm}\). \(V = \pi r^2 h = \pi \cdot 16 \cdot 12 \approx 603\;\text{cm}^3 \approx 0.60\;\text{l}\) — gut ein halber Liter.

Kreiszahl π und Bogenmass

📘 Kreiszahl π

Die Kreiszahl \(\pi \approx 3.14159\) ist das Verhältnis von Umfang zu Durchmesser — bei jedem Kreis gleich:

\[ \pi = \frac{U}{d} \qquad\Rightarrow\qquad U = \pi \cdot d = 2 \pi \cdot r \]

Ein Rad mit \(70\;\text{cm}\) Durchmesser legt pro Umdrehung also \(U = \pi \cdot 0.7\;\text{m} \approx 2.20\;\text{m}\) zurück.

📘 Bogenmass

Winkel kann man statt in Grad auch im Bogenmass (Einheit: Radiant, rad) angeben: Der Winkel ist dann die Länge des Kreisbogens geteilt durch den Radius,

\[ \varphi_{\text{rad}} = \frac{s}{r} \qquad\Rightarrow\qquad s = r \cdot \varphi_{\text{rad}} \]

Der volle Kreis hat den Bogen \(U = 2\pi r\), also ist der Vollwinkel \(360° = 2\pi\;\text{rad}\). Umrechnung:

\[ \varphi_{\text{rad}} = \varphi_{\text{Grad}} \cdot \frac{\pi}{180°} \]
Grad\(30^\circ\)\(45^\circ\)\(60^\circ\)\(90^\circ\)\(180^\circ\)\(360^\circ\)
Bogenmass\(\pi/6\)\(\pi/4\)\(\pi/3\)\(\pi/2\)\(\pi\)\(2\pi\)

Animation 8 · Kreis, Winkel und Bogenmass

✓ Erkenntnis
60°
1.0 m
Aktuelle Rechnung
\(\varphi\) im Bogenmass1.047 rad
Bogenlänge \(s = r \cdot \varphi\)1.05 m
Umfang \(U = 2\pi r\)6.28 m
⭕ Kreis mit Winkel und Bogen (1:1)
Bogen \(s\) Radiusarm \(r\)
❓ Was bedeutet ein Winkel von genau \(1\;\text{rad}\) anschaulich?

Bei \(1\;\text{rad}\) ist der Kreisbogen genau so lang wie der Radius (\(s = r \cdot 1\)). In Grad: \(1\;\text{rad} = \dfrac{180°}{\pi} \approx 57.3°\). Stelle in Animation 8 den Winkel \(57°\) ein und vergleiche Bogenlänge und Radius in der Live-Anzeige.

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Was gibt die Kreiszahl \(\pi\) an?

  • das Verhältnis von Umfang zu Durchmesser
  • das Verhältnis von Fläche zu Radius
  • das Verhältnis von Durchmesser zu Umfang
Lösung anzeigen
A. \(\pi = U / d \approx 3.14159\) — bei jedem Kreis gleich.
Lückentext

Der Vollwinkel beträgt \(360°\), im Bogenmass also rad.

Lösung anzeigen
\(2\pi\) (\(\approx 6.28\)) — denn der volle Bogen ist der Umfang \(2\pi r\), geteilt durch \(r\).
Kurze Rechnung

Rechne \(90°\) ins Bogenmass um.

Lösung anzeigen
\(\varphi_{\text{rad}} = 90 \cdot \dfrac{\pi}{180} = \dfrac{\pi}{2} \approx 1.571\;\text{rad}\).
Transfer

Eine Riesenrad-Gondel fährt auf einem Kreis mit \(r = 20\;\text{m}\) um \(135°\) weiter. Welche Strecke legt sie dabei zurück?

Lösungsweg anzeigen
Ansatz: \(s = r \cdot \varphi_{\text{rad}}\) mit \(\varphi_{\text{rad}} = 135 \cdot \dfrac{\pi}{180} \approx 2.356\;\text{rad}\). Also \(s = 20 \cdot 2.356 \approx 47.1\;\text{m}\).

Brüche, Potenzen und Zehnerpotenzen

📘 Brüche

Ein Bruch ist eine Division: \(\dfrac{s}{t}\) heisst \(s\) geteilt durch \(t\). Die wichtigsten Regeln:

\[ \frac{a}{b} \cdot \frac{c}{d} = \frac{a \cdot c}{b \cdot d} \qquad\qquad \frac{a}{b} : \frac{c}{d} = \frac{a}{b} \cdot \frac{d}{c} \]

Division durch einen Bruch = Multiplikation mit dem Kehrwert. Das braucht man z.B., wenn in einer Formel ein Bruch im Nenner steht (Doppelbruch).

📘 Potenzen und Zehnerpotenzen

\(a^n\) bedeutet: \(a\) wird \(n\)-mal mit sich selbst multipliziert. Beim Rechnen gilt:

\[ a^m \cdot a^n = a^{m+n} \qquad \frac{a^m}{a^n} = a^{m-n} \qquad a^{-n} = \frac{1}{a^n} \]

Speziell wichtig sind die Zehnerpotenzen: \(10^3 = 1000\), \(10^{-3} = 0.001\). Sie machen sehr grosse und sehr kleine Zahlen handlich.

📘 Wissenschaftliche und Engineering-Schreibweise

Wissenschaftliche Schreibweise: Zahl als \(m \cdot 10^{n}\) mit Mantisse \(1 \le m \lt 10\). Beispiel Haardurchmesser:

\[ 0.00007\;\text{m} = 7 \cdot 10^{-5}\;\text{m} \]

Engineering-Schreibweise: Der Exponent ist ein Vielfaches von 3 (die Mantisse darf dann 1 bis 999 betragen) — passend zu den SI-Vorsätzen:

\[ 7 \cdot 10^{-5}\;\text{m} = 70 \cdot 10^{-6}\;\text{m} = 70\;\text{µm} \]
Vorsatzµ (Mikro)m (Milli)—k (Kilo)M (Mega)G (Giga)
Faktor\(10^{-6}\)\(10^{-3}\)\(10^{0} = 1\)\(10^{3}\)\(10^{6}\)\(10^{9}\)

Animation 9 · Zehnerpotenz-Schieber — Grössenordnungen

✓ Erkenntnis
7.0
−5
ausgeschrieben0.00007 m
wissenschaftlich7·10⁻⁵ m
Engineering70·10⁻⁶ m
mit SI-Vorsatz70 µm
📏 Grössenordnungs-Leiter (logarithmisch)
❓ Warum schreibt die Physik lieber \(3 \cdot 10^{8}\;\text{m/s}\) statt \(300000000\;\text{m/s}\)?

Drei Gründe: Die Grössenordnung (der Exponent 8) ist sofort sichtbar, ohne Nullen zu zählen. Das Rechnen wird leichter, weil sich Exponenten einfach addieren und subtrahieren. Und die Schreibweise zeigt klar, welche Stellen signifikant sind — \(3.00 \cdot 10^{8}\) verspricht drei verlässliche Stellen (dazu mehr im Abschnitt «Genauigkeit und Runden»).

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Wie lang ist \(4.5 \cdot 10^{-3}\;\text{m}\)?

  • \(0.45\;\text{mm}\)
  • \(4.5\;\text{mm}\)
  • \(45\;\text{mm}\)
Lösung anzeigen
B. \(10^{-3}\;\text{m} = 1\;\text{mm}\), also \(4.5 \cdot 10^{-3}\;\text{m} = 4.5\;\text{mm}\).
Lückentext

Beim Multiplizieren von Zehnerpotenzen werden die Exponenten .

Lösung anzeigen
addiert — \(10^m \cdot 10^n = 10^{m+n}\).
Kurze Rechnung

Berechne \((2 \cdot 10^{3}) \cdot (3 \cdot 10^{4})\) und gib das Resultat in wissenschaftlicher Schreibweise an.

Lösung anzeigen
Mantissen und Zehnerpotenzen getrennt: \(2 \cdot 3 = 6\) und \(10^{3} \cdot 10^{4} = 10^{7}\), also \(6 \cdot 10^{7}\).
Transfer

Wie oft passt ein Haardurchmesser (\(7 \cdot 10^{-5}\;\text{m}\)) in \(1\;\text{mm}\)?

Lösungsweg anzeigen
\(\dfrac{10^{-3}}{7 \cdot 10^{-5}} = \dfrac{1}{7} \cdot 10^{-3-(-5)} = \dfrac{100}{7} \approx 14.3\) — rund 14-mal.

Gleichungen umstellen

Die häufigste Stolperstelle in Physik-Aufgaben ist nicht die Physik — es ist das Auflösen einer Formel nach der gesuchten Grösse. Die gute Nachricht: Es braucht nur eine einzige Idee.

📘 Das Waage-Prinzip

Eine Gleichung ist wie eine Waage im Gleichgewicht. Sie bleibt im Gleichgewicht, wenn auf beiden Seiten dieselbe Operation ausgeführt wird: beide Seiten mal derselben Grösse, geteilt durch dieselbe Grösse (sofern sie nicht null ist), plus/minus derselbe Term, auf beiden Seiten die Wurzel ziehen.

🔷 Schritt für Schritt — zwei Musterbeispiele

Beispiel 1: \(v = \dfrac{s}{t}\) nach \(t\) auflösen. Das \(t\) steht störend im Nenner — also zuerst beide Seiten mal \(t\):

\[ v \cdot t = s \]

Jetzt steht \(t\) im Zähler, aber noch mit \(v\) multipliziert — beide Seiten durch \(v\) teilen:

\[ t = \frac{s}{v} \]

Kontrolle mit Zahlen: \(s = 120\;\text{km}\), \(v = 80\;\text{km/h}\) → \(t = \dfrac{120}{80} = 1.5\;\text{h}\) ✓ (vgl. Animation 5).

Beispiel 2: \(V = \pi \cdot r^{\,2} \cdot h\) nach \(r\) auflösen. Zuerst alles wegdividieren, was nicht \(r\) ist — beide Seiten durch \(\pi \cdot h\):

\[ \frac{V}{\pi \cdot h} = r^{\,2} \]

Dann auf beiden Seiten die Wurzel ziehen:

\[ r = \sqrt{\frac{V}{\pi \cdot h}} \]

Kontrolle: Tank aus Animation 7 mit \(V = 0.785\;\text{m}^3\) und \(h = 1\;\text{m}\) → \(r = \sqrt{\dfrac{0.785}{\pi}} \approx 0.5\;\text{m}\) ✓.

⚠ Häufige Fehler
  • Nur auf einer Seite operieren — wer rechts durch \(t\) teilt, muss es auch links tun, sonst kippt die Waage.
  • Reihenfolge: erst isolieren, dann Wurzel ziehen. Bei \(V = \pi r^2 h\) zuerst durch \(\pi h\) teilen und erst dann die Wurzel ziehen — nicht umgekehrt.
  • Zu früh Zahlen einsetzen: erst symbolisch nach der gesuchten Grösse auflösen, dann einsetzen. Das ist das Ansatz-Prinzip dieses Lehrmittels.

Animation 10 · Formel-Waage — Gleichungen umstellen

✓ Erkenntnis
Schritthistorie — jede Zeile mit ihrer Äquivalenzumformung
\(\displaystyle v = \frac{s}{t}\)
⚖️ Die Gleichung als Waage
❓ Warum darfst du in \(v = \dfrac{s}{t}\) nicht einfach das \(t\) «streichen»?

Weil «streichen» keine erlaubte Umformung ist — die Gleichheit geht dabei verloren. Erlaubt ist nur, auf beiden Seiten dieselbe Operation auszuführen. Multiplizierst du beide Seiten mit \(t\), kürzt sich das \(t\) rechts von selbst weg: \(v \cdot t = s\). Das sieht am Schluss ähnlich aus, ist aber sauber begründet — und funktioniert auch dann noch, wenn die Formel komplizierter wird.

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Löse \(F = m \cdot a\) nach \(a\) auf.

  • \(a = F \cdot m\)
  • \(a = \dfrac{m}{F}\)
  • \(a = \dfrac{F}{m}\)
Lösung anzeigen
C. Beide Seiten durch \(m\) teilen: \(\dfrac{F}{m} = a\).
Lückentext

Eine Gleichung bleibt gültig, wenn auf beiden Seiten Operation ausgeführt wird.

Lösung anzeigen
dieselbe — das ist das Waage-Prinzip.
Kurze Rechnung

Ein Hula-Hoop-Reifen hat den Umfang \(U = 3.0\;\text{m}\). Stelle \(U = 2\pi r\) nach \(r\) um und berechne den Radius.

Lösung anzeigen
Beide Seiten durch \(2\pi\): \(r = \dfrac{U}{2\pi} = \dfrac{3.0}{2\pi} \approx 0.477\;\text{m}\) — knapp \(48\;\text{cm}\).
Transfer

Ein rundes Trampolin soll eine Sprungfläche von \(A = 2.0\;\text{m}^2\) haben. Welchen Radius braucht es? (Formel \(A = \pi r^2\) zuerst nach \(r\) auflösen.)

Lösungsweg anzeigen
Beide Seiten durch \(\pi\), dann Wurzel: \(r = \sqrt{\dfrac{A}{\pi}} = \sqrt{\dfrac{2.0}{\pi}} \approx 0.80\;\text{m}\).

Fallunterscheidungen — «gilt nur, wenn …»

📘 Bedingung und Fallunterscheidung

Viele Formeln gelten nur unter einer Bedingung — zum Beispiel darf durch eine Differenz nur geteilt werden, wenn sie nicht null ist. Eine Fallunterscheidung behandelt die möglichen Situationen getrennt: Fall 1 (Bedingung erfüllt) und Fall 2 (Bedingung verletzt) führen zu verschiedenen Antworten. Sauberes Schliessen heisst: die Bedingung vor dem Einsetzen prüfen, nicht erst, wenn der Taschenrechner streikt.

Das klassische Beispiel ist das Einholproblem: Läuferin A startet bei \(0\), Läufer B hat \(d\) Meter Vorsprung. Beide laufen mit konstantem Tempo. Die Orte zur Zeit \(t\):

\[ s_A(t) = v_A \cdot t \qquad\qquad s_B(t) = d + v_B \cdot t \]

Einholen heisst «gleicher Ort zur gleichen Zeit», also \(s_A(t) = s_B(t)\):

\[ v_A \cdot t = d + v_B \cdot t \] \[ v_A \cdot t - v_B \cdot t = d \] \[ t \cdot (v_A - v_B) = d \]

Jetzt kommt die Bedingung: Durch \((v_A - v_B)\) darf nur geteilt werden, wenn diese Differenz nicht null ist — und ein positiver Zeitpunkt ergibt sich nur, wenn sie positiv ist:

Zahlenbeispiel für Fall 1: \(d = 40\;\text{m}\), \(v_A = 5\;\text{m/s}\), \(v_B = 3\;\text{m/s}\):

\[ t^* = \frac{d}{v_A - v_B} = \frac{40\;\text{m}}{5\;\text{m/s} - 3\;\text{m/s}} = \frac{40\;\text{m}}{2\;\text{m/s}} = 20\;\text{s} \]

Treffpunkt: \(s_A(20) = 5 \cdot 20 = 100\;\text{m}\) — und zur Kontrolle \(s_B(20) = 40 + 3 \cdot 20 = 100\;\text{m}\). Beide Rechnungen stimmen überein.

Animation 11 · Einholproblem — wann gilt die Formel?

✓ Erkenntnis
5.0 m/s
3.0 m/s
40 m
Bedingung: \(v_A - v_B\)+ 2 m/s
FallA holt ein
Einholzeit \(t^*\)20 s
Treffpunkt \(s^*\)100 m
📈 Orte \(s_A(t)\) und \(s_B(t)\) — schneidet Orange die Blaue?
Läuferin A: \(s_A = v_A \cdot t\) Läufer B: \(s_B = d + v_B \cdot t\) Einholpunkt (nur Fall \(v_A \gt v_B\))
❓ Was passiert genau am Grenzfall v_A = v_B?

Der Abstand bleibt für alle Zeiten konstant \(d\): Beide legen in jeder Sekunde gleich viel Strecke zurück. In der Gleichung \(t \cdot (v_A - v_B) = d\) steht links null, rechts \(d \neq 0\) — es gibt keine Lösung, und die Division durch \((v_A - v_B)\) wäre eine verbotene Division durch null. Im Diagramm sind die beiden Geraden exakt parallel. Der Grenzfall ist die Fallgrenze: knapp darüber wird \(t^*\) riesig, darunter existiert \(t^*\) gar nicht.

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Läuferin A (\(v_A = 4\;\text{m/s}\)) startet \(20\;\text{m}\) hinter Läufer B (\(v_B = 4\;\text{m/s}\)). Wann holt A ein?

  • nach \(5\;\text{s}\)
  • nach \(20\;\text{s}\)
  • nie
Lösung anzeigen
C. Wegen \(v_A = v_B\) bleibt der Abstand konstant \(20\;\text{m}\) — Fall 2 der Fallunterscheidung, die Einhol-Formel ist hier nicht anwendbar.
Lückentext

Die Formel \(t^* = d/(v_A - v_B)\) darf nur verwendet werden, wenn \(v_A\) \(v_B\) ist.

Lösung anzeigen
grösser als — sonst gibt es keinen positiven Einholzeitpunkt (Division durch null oder negatives Resultat).
Kurze Rechnung

\(d = 24\;\text{m}\), \(v_A = 5\;\text{m/s}\), \(v_B = 2\;\text{m/s}\). Prüfe die Bedingung und berechne \(t^*\).

Lösung anzeigen
Bedingung: \(v_A \gt v_B\) ✓ (Fall 1). Ansatz: \(t^* = \dfrac{d}{v_A - v_B} = \dfrac{24}{5 - 2} = 8\;\text{s}\). Kontrolle: \(s_A = 5 \cdot 8 = 40\;\text{m}\) und \(s_B = 24 + 2 \cdot 8 = 40\;\text{m}\) ✓.
Transfer

\(v_A\) liegt nur ganz knapp über \(v_B\). Was passiert mit der Einholzeit \(t^*\) — und was sagt das über die Fallgrenze aus?

Lösungsweg anzeigen
Der Nenner \(v_A - v_B\) geht gegen null, also wird \(t^*\) riesig (z.B. \(d = 40\;\text{m}\), Differenz \(0.5\;\text{m/s}\): \(t^* = 80\;\text{s}\)). Die Fallgrenze \(v_A = v_B\) ist der Übergang: dort existiert gar kein Einholzeitpunkt mehr. Probiere es in Animation 11 aus.

Genauigkeit und Runden

Der Taschenrechner liefert \(0.4523893…\;\text{m}^3\) — aber wie viele Stellen davon sind sinnvoll? Es gibt zwei verschiedene Runde-Arten, und sie werden oft verwechselt:

📘 Kommastellen vs. signifikante Stellen

Runden auf Kommastellen zählt die Stellen nach dem Komma: auf 2 Kommastellen wird \(19.618\) zu \(19.62\) — aber \(0.048107\) zu \(0.05\).

Runden auf signifikante Stellen zählt die geltenden Ziffern ab der ersten Ziffer, die nicht null ist: auf 3 signifikante Stellen wird \(19.618\) zu \(19.6\) und \(0.048107\) zu \(0.0481\). Führende Nullen zählen nie zu den signifikanten Stellen.

Taschenrechner-Wertauf 2 Kommastellenauf 3 signifikante Stellen
\(452.39\)\(452.39\)\(452\)
\(19.618\)\(19.62\)\(19.6\)
\(0.048107\)\(0.05\)\(0.0481\)

Die dritte Zeile zeigt das Problem: Auf 2 Kommastellen gerundet bleibt von \(0.048107\) nur noch \(0.05\) — eine einzige geltende Ziffer, über \(4\;\%\) Rundungsfehler. Das Runden nach signifikanten Stellen behandelt dagegen grosse und kleine Zahlen gleich fair.

Animation 12 · Kommastellen gegen signifikante Stellen

✓ Erkenntnis
2
3
Ausgangswert und die beiden Rundungen
Ausgangswert: 452.39
auf 2 Kommastellen: 452.39
auf 3 signifikante Stellen: 452
Fehler nach Kommastellen0.000 %
Fehler nach sign. Stellen0.086 %
geltende Ziffern (Komma)5
📏 Relativer Rundungsfehler — feste Skala \(0\) bis \(20\;\%\)
💡 So halten wir es in der Physik
  • Endergebnisse üblicherweise auf 3 signifikante Stellen runden (BM-Standard) — bzw. nicht genauer, als die Eingangswerte es hergeben.
  • Zwischenresultate nicht runden: im Taschenrechner mit allen Stellen weiterrechnen und erst das Endergebnis runden.
  • Die wissenschaftliche Schreibweise zeigt die Genauigkeit direkt: \(4.58 \cdot 10^{3}\;\text{l}\) bedeutet 3 verlässliche Stellen.
✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Wie viele signifikante Stellen hat die Angabe \(0.00450\;\text{m}\)?

  • zwei
  • drei
  • fünf
Lösung anzeigen
B. Führende Nullen zählen nicht; \(4\), \(5\) und die nachgestellte \(0\) sind signifikant: drei Stellen.
Lückentext

In der BM werden Endergebnisse üblicherweise auf signifikante Stellen gerundet.

Lösung anzeigen
drei — z.B. \(0.452\;\text{m}^3\) oder \(4.58 \cdot 10^3\;\text{l}\).
Kurze Rechnung

Runde \(0.037249\) auf 3 signifikante Stellen.

Lösung anzeigen
Geltende Ziffern ab der \(3\): \(3\), \(7\), \(2\) — die nächste Ziffer \(4\) rundet ab: \(0.0372\).
Transfer

Dein Taschenrechner zeigt für ein Tank-Volumen \(0.4523893\;\text{m}^3\). Gib das Resultat in Litern mit 3 signifikanten Stellen an.

Lösungsweg anzeigen
\(0.4523893\;\text{m}^3 = 452.3893\;\text{l}\) (Faktor 1000). Auf 3 signifikante Stellen: \(452\;\text{l}\).

Plausibilitätskontrolle — traue keinem Resultat ungeprüft

📘 Plausibilitätskontrolle — drei Prüf-Werkzeuge

Ein Resultat ist erst fertig, wenn es geprüft ist. Drei Werkzeuge, die fast jeden Rechenfehler auffliegen lassen:

  • (a) Grössenordnung schätzen: Passt die Zahl grob zur Alltagserfahrung? Ein Fussgänger schafft etwa \(5\;\text{km}\) pro Stunde, ein Auto auf der Autobahn etwa \(100\;\text{km}\) — weicht das Resultat um Faktor 100 ab, stimmt etwas nicht.
  • (b) Einheiten-Check: Auf beiden Seiten einer Gleichung müssen dieselben Einheiten stehen. Wer \(\text{m/s}\) mit Stunden multipliziert, erhält keine Meter — gemischte Einheiten sind die häufigste Fehlerquelle.
  • (c) Gegenrechnung: Das Resultat auf einem zweiten, unabhängigen Weg berechnen — oder rückwärts einsetzen. Stimmen beide Wege überein, ist das Resultat sehr wahrscheinlich richtig.
🟢 Beispiel — ein falsches Resultat fliegt auf

Ein Velo fährt mit \(5\;\text{m/s}\). Wie weit kommt es in \(2\;\text{h}\)? Jemand rechnet:

\[ s = v \cdot t = 5 \cdot 2 = 10\;\text{m} \quad\text{(falsch!)} \]

Alle drei Checks schlagen an:

  • Grössenordnung: \(10\;\text{m}\) in zwei Stunden — das schafft eine Schnecke. Ein Velo legt in \(2\;\text{h}\) eher \(20\;\text{km}\) bis \(50\;\text{km}\) zurück.
  • Einheiten-Check: \(\text{m/s} \cdot \text{h}\) ergibt keine Meter — hier wurden Sekunden und Stunden gemischt. Erst umrechnen: \(2\;\text{h} = 2 \cdot 3600\;\text{s} = 7200\;\text{s}\).
  • Korrekt: \(s = 5\;\text{m/s} \cdot 7200\;\text{s} = 36000\;\text{m} = 36\;\text{km}\).
  • Gegenrechnung: \(v = \dfrac{s}{t} = \dfrac{36000\;\text{m}}{7200\;\text{s}} = 5\;\text{m/s}\) ✓ — das Resultat besteht die Rückwärtsprobe.

Die Gegenrechnung ist das stärkste der drei Werkzeuge — sie prüft die ganze Rechnung, nicht nur ihre Form. Besonders elegant ist sie, wenn sich ein Resultat von zwei Seiten berechnen lässt:

✓ Erkenntnis
300 m
12 m/s
8 m/s
Verwendeter Ansatz
Treffzeit \(t\)15 s
von links: \(v_A \cdot t\)180.0 m
von rechts: \(d - v_B \cdot t\)180.0 m
Gegenrechnung✓ stimmt überein
📈 Orte \(x_A(t)\) und \(x_B(t)\) — der Schnittpunkt ist der Treffpunkt
Velo A: \(x_A = v_A \cdot t\) Velo B: \(x_B = d - v_B \cdot t\) Treffpunkt
❓ Ein Resultat besteht den Einheiten-Check. Ist es damit bewiesen richtig?

Nein. Der Einheiten-Check ist eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung: Stimmen die Einheiten nicht, ist die Rechnung sicher falsch — stimmen sie, kann die Zahl trotzdem falsch sein (z.B. ein vergessener Faktor 2 oder ein Tippfehler beim Eintippen). Darum ergänzen sich die drei Werkzeuge: Der Einheiten-Check prüft die Form, die Grössenordnung den groben Wert, und erst die Gegenrechnung prüft die ganze Rechnung.

✏️ Mini-Check
Multiple Choice

Ein Resultat lautet: «Ein Fussgänger legt in \(1\;\text{h}\) eine Strecke von \(250\;\text{km}\) zurück.» Welches Prüf-Werkzeug schlägt am schnellsten an?

  • die Gegenrechnung
  • die Grössenordnung
  • der Taschenrechner
Lösung anzeigen
B. Zu Fuss sind etwa \(5\;\text{km}\) pro Stunde realistisch — \(250\;\text{km}\) liegen um den Faktor 50 daneben. Das sieht man ohne jede Rechnung.
Lückentext

Beim Einheiten-Check müssen auf beiden Seiten der Gleichung dieselben stehen.

Lösung anzeigen
Einheiten — z.B. liefert \(\text{m/s} \cdot \text{s}\) Meter, aber \(\text{m/s} \cdot \text{h}\) ergibt keine sinnvolle Weg-Einheit ohne Umrechnung.
Kurze Rechnung

Zwei Velos fahren auf einer \(100\;\text{m}\)-Strecke aufeinander zu (\(v_A = 6\;\text{m/s}\), \(v_B = 4\;\text{m/s}\)). Berechne den Treffpunkt von links und prüfe ihn per Gegenrechnung von rechts.

Lösung anzeigen
Treffzeit: \(t = \dfrac{100}{6 + 4} = 10\;\text{s}\). Von links: \(x = 6 \cdot 10 = 60\;\text{m}\). Gegenrechnung von rechts: \(x = 100 - 4 \cdot 10 = 60\;\text{m}\) ✓.
Transfer

Warum ersetzt ein bestandener Einheiten-Check die Gegenrechnung nicht?

Lösungsweg anzeigen
Die Einheiten können stimmen, während die Zahl falsch ist (falscher Faktor, Zahlendreher, falsch abgelesener Wert). Der Einheiten-Check prüft nur die Form der Rechnung; die Gegenrechnung prüft zusätzlich die Zahlen. Verschiedene Checks decken verschiedene Fehlerarten auf.

Aufgaben

🟠 A1Werte ablesen — Zylindertank

Stelle in Animation 7 die Schieber auf \(r = 0.6\;\text{m}\) und \(h = 1.2\;\text{m}\). Lies Grundfläche und Volumen aus der Live-Anzeige ab und prüfe beide Werte mit der Formel nach.

🟢 Lösung

Grundfläche: \(A = \pi r^2 = \pi \cdot 0.6^2 = \pi \cdot 0.36 \approx 1.13\;\text{m}^2\) (Live-Anzeige bestätigt).

Volumen: \(V = A \cdot h = 1.131 \cdot 1.2 \approx 1.36\;\text{m}^3 = 1357\;\text{l}\).

🟠 A2Dreisatz — direkt und indirekt
  1. \(4.5\;\text{kg}\) Kartoffeln kosten \(10.80\;\text{CHF}\) Wie viel kosten \(7\;\text{kg}\)?
  2. Ein Heuvorrat reicht für 12 Pferde 30 Tage. Wie lange reicht er für 18 Pferde?
🟢 Lösung
  1. Direkte Proportionalität — der Quotient Kosten durch Menge, also der Preis, ist konstant: \[ \frac{10.80}{4.5} = 2.40\;\text{CHF/kg} \qquad\Rightarrow\qquad 7 \cdot 2.40 = 16.80\;\text{CHF} \]
  2. Indirekte Proportionalität — das Produkt (Pferde \(\cdot\) Tage) ist konstant: \[ 12 \cdot 30 = 360 \qquad\Rightarrow\qquad t = \frac{360}{18} = 20\;\text{Tage} \]
🟠 A3Aquarium und Regentonne

Ein Aquarium ist innen \(80\;\text{cm}\) lang, \(35\;\text{cm}\) breit und \(45\;\text{cm}\) hoch. Daneben steht eine zylindrische Regentonne mit Innendurchmesser \(60\;\text{cm}\) und Höhe \(90\;\text{cm}\).

  1. Wie viele Liter fasst das Aquarium?
  2. Wie viele Liter fasst die Regentonne?
  3. Wie viele volle 10-Liter-Giesskannen lassen sich aus der randvollen Tonne füllen?
🟢 Lösung
  1. Quader: \[ V = a \cdot b \cdot c = 80 \cdot 35 \cdot 45 = 126000\;\text{cm}^3 = 126\;\text{l} \]
  2. Zylinder mit \(r = d/2 = 30\;\text{cm}\): \[ V = \pi \cdot r^{\,2} \cdot h = \pi \cdot 30^2 \cdot 90 \approx 254469\;\text{cm}^3 \approx 254\;\text{l} \]
  3. \(254 / 10 = 25.4\) — es lassen sich \(25\) volle Giesskannen füllen.
🟠 A4Formeln umstellen

Stelle jeweils zuerst symbolisch um, setze erst danach die Zahlen ein.

  1. \(v = \dfrac{s}{t}\) nach \(t\); berechne \(t\) für \(s = 210\;\text{km}\) und \(v = 84\;\text{km/h}\).
  2. \(\rho = \dfrac{m}{V}\) nach \(m\); berechne die Masse von \(0.35\;\text{m}^3\) Wasser (\(\rho = 1000\;\text{kg/m}^3\)).
  3. \(U = 2\pi r\) nach \(r\); ein Gymnastikreifen hat den Umfang \(U = 1.35\;\text{m}\).
  4. \(V = \pi r^2 h\) nach \(r\); eine Getränkedose fasst \(V = 330\;\text{cm}^3\) bei einer Höhe von \(h = 11.5\;\text{cm}\).
🟢 Lösung
  1. Beide Seiten mal \(t\), dann durch \(v\): \[ t = \frac{s}{v} = \frac{210}{84} = 2.5\;\text{h} = 2\;\text{h}\;30\;\text{min} \]
  2. Beide Seiten mal \(V\): \[ m = \rho \cdot V = 1000 \cdot 0.35 = 350\;\text{kg} \]
  3. Beide Seiten durch \(2\pi\): \[ r = \frac{U}{2\pi} = \frac{1.35}{2\pi} \approx 0.215\;\text{m} = 21.5\;\text{cm} \]
  4. Beide Seiten durch \(\pi h\), dann Wurzel: \[ r = \sqrt{\frac{V}{\pi \cdot h}} = \sqrt{\frac{330}{\pi \cdot 11.5}} \approx 3.02\;\text{cm} \]
🟠 A5Zehnerpotenzen und Schreibweisen
  1. Schreibe in wissenschaftlicher Schreibweise: die mittlere Distanz Erde–Mond von \(384000\;\text{km}\) in Metern, und \(0.00052\;\text{m}\).
  2. Berechne \((3 \cdot 10^{5}) \cdot (2 \cdot 10^{-2})\).
  3. Gib \(2.5 \cdot 10^{-5}\;\text{m}\) in Engineering-Schreibweise und mit SI-Vorsatz an.
  4. Wie oft passt der Erddurchmesser (\(1.27 \cdot 10^{7}\;\text{m}\)) zwischen Erde und Mond (\(3.84 \cdot 10^{8}\;\text{m}\))?
🟢 Lösung
  1. \(384000\;\text{km} = 384000000\;\text{m} = 3.84 \cdot 10^{8}\;\text{m}\); \(\;0.00052\;\text{m} = 5.2 \cdot 10^{-4}\;\text{m}\).
  2. Mantissen und Potenzen getrennt: \[ (3 \cdot 2) \cdot 10^{5 + (-2)} = 6 \cdot 10^{3} = 6000 \]
  3. Exponent auf das nächste Vielfache von 3 bringen: \(2.5 \cdot 10^{-5} = 25 \cdot 10^{-6}\;\text{m} = 25\;\text{µm}\).
  4. \[ \frac{3.84 \cdot 10^{8}}{1.27 \cdot 10^{7}} = \frac{3.84}{1.27} \cdot 10^{1} \approx 30.2 \] — rund 30-mal.
🟠 A6Regenwasser-Speicher — umstellen, rechnen, runden

Ein zylindrischer Regenwasser-Speicher mit Innendurchmesser \(1.8\;\text{m}\) soll \(4000\;\text{l}\) fassen.

  1. Stelle \(V = \pi r^2 h\) nach \(h\) um.
  2. Berechne die nötige Höhe \(h\).
  3. Gebaut wird der Speicher schliesslich \(1.8\;\text{m}\) hoch. Wie viele Liter fasst er wirklich? Gib das Resultat mit 3 signifikanten Stellen an.
  4. Warum wäre die Angabe \(h = 1.5719007\;\text{m}\) in Teilaufgabe 2 unsinnig?
🟢 Lösung
  1. Beide Seiten durch \(\pi r^2\): \[ h = \frac{V}{\pi \cdot r^{\,2}} \]
  2. Mit \(V = 4000\;\text{l} = 4\;\text{m}^3\) und \(r = 0.9\;\text{m}\): \[ h = \frac{4}{\pi \cdot 0.9^2} = \frac{4}{\pi \cdot 0.81} \approx 1.57\;\text{m} \]
  3. \[ V = \pi \cdot 0.81 \cdot 1.8 \approx 4.58\;\text{m}^3 = 4.58 \cdot 10^{3}\;\text{l} \approx 4580\;\text{l} \]
  4. Die Eingangswerte (\(1.8\;\text{m}\), \(4000\;\text{l}\)) sind höchstens auf 2–3 Stellen genau — 8 Stellen im Resultat täuschen eine Genauigkeit vor, die es nicht gibt. Beim Bau sind Bruchteile von Millimetern ohnehin bedeutungslos. Sinnvoll: \(h \approx 1.57\;\text{m}\).
🟠 A7Je-desto ablesen — Federdehnung

Stelle in Animation 2 die harte Feder (\(D = 50\;\text{N/m}\)) und \(m = 1.2\;\text{kg}\) ein.

  1. Lies die Gewichtskraft \(F\) und die Dehnung \(x\) aus der Live-Box ab.
  2. Formuliere die zugehörige Je-desto-Aussage und benenne Ursache, Wirkung und die konstant gehaltene Grösse.
  3. Wechsle bei gleicher Masse zur weichen Feder (\(D = 25\;\text{N/m}\)). Was passiert mit der Dehnung — und warum?
🟢 Lösung
  1. \(F = m \cdot g = 1.2 \cdot 9.81 \approx 11.77\;\text{N}\) und \(x = \dfrac{F}{D} = \dfrac{11.77}{50} \approx 0.235\;\text{m} \approx 23.5\;\text{cm}\).
  2. «Je grösser die angehängte Masse, desto grösser die Dehnung.» Ursache: Masse \(m\); Wirkung: Dehnung \(x\); konstant: die Federkonstante \(D\) (dieselbe Feder).
  3. Die Dehnung verdoppelt sich auf \(x = \dfrac{11.77}{25} \approx 0.471\;\text{m} \approx 47.1\;\text{cm}\): Bei halbiertem \(D\) bewirkt dieselbe Kraft die doppelte Dehnung (\(x = F/D\)).
🟠 A8Dreisatz — Kartoffeln

\(4\;\text{kg}\) Kartoffeln kosten \(6.00\;\text{CHF}\).

  1. Was kostet \(1\;\text{kg}\)?
  2. Was kosten \(7\;\text{kg}\)? Schreibe den Dreisatz vollständig auf (auf 1 zurückführen, dann hochrechnen).
🟢 Lösung
  1. Auf 1 zurückführen: \[ 1\;\text{kg} \;\longrightarrow\; \frac{6.00\;\text{CHF}}{4} = 1.50\;\text{CHF} \]
  2. Hochrechnen auf die Zielmenge: \[ 7\;\text{kg} \;\longrightarrow\; 1.50\;\text{CHF} \cdot 7 = 10.50\;\text{CHF} \] Erlaubt, weil der Kilopreis (der Quotient Preis/Menge) konstant ist.
🟠 A9Variablen und Konstanten identifizieren

Bestimme für jede Situation, welche Grössen Variablen und welche Konstanten sind.

  1. \(s = v \cdot t\) für ein Auto mit Tempomat auf der Autobahn.
  2. \(x = \dfrac{F}{D}\) für eine bestimmte Schraubenfeder, an die verschiedene Massestücke gehängt werden. Berechne zusätzlich \(x\) für \(F = 3.0\;\text{N}\) und \(D = 25\;\text{N/m}\).
  3. \(K = 2.50\;\text{CHF/kg} \cdot m\) an der Gemüsewaage — Kosten aus Menge und Preis.
🟢 Lösung
  1. Konstante: \(v\) (vom Tempomat festgehalten). Variablen: \(t\) und \(s\) — die Strecke wächst mit der Zeit.
  2. Konstante: \(D\) (Eigenschaft der gewählten Feder). Variablen: \(F\) und \(x\). Rechnung: \(x = \dfrac{F}{D} = \dfrac{3.0\;\text{N}}{25\;\text{N/m}} = 0.12\;\text{m} = 12\;\text{cm}\).
  3. Konstante: der Preis \(2.50\;\text{CHF/kg}\). Variablen: die Menge \(m\) und die Kosten \(K\).
🟠 A10Herleitung ordnen und begründen

Die Herleitung von \(t = s/v\) aus der Tempo-Definition ist durcheinandergeraten:

  1. Bringe die vier Zeilen in die richtige Reihenfolge:
    (A) \(t = \dfrac{s}{v}\)  ·  (B) \(v = \dfrac{s}{t}\)  ·  (C) beide Seiten durch \(v\) teilen: \(\dfrac{s}{v} = t\)  ·  (D) beide Seiten mit \(t\) multiplizieren: \(v \cdot t = s\)
  2. Begründe jeden Schritt: Was wurde gemacht, und warum ist es erlaubt?
🟢 Lösung
  1. Richtige Reihenfolge: B → D → C → A.
  2. Begründungen Schritt für Schritt:
    (B) Ausgangspunkt: Definition des Tempos bei konstanter Geschwindigkeit.
    (D) Äquivalenzumformung «mal \(t\)» auf beiden Seiten — erlaubt, weil \(t \neq 0\); rechts kürzt sich \(t\).
    (C) Äquivalenzumformung «durch \(v\)» auf beiden Seiten — erlaubt nur, falls \(v \neq 0\); links kürzt sich \(v\).
    (A) Ergebnis, nach \(t\) aufgelöst — nur die Seiten der Gleichung wurden vertauscht.
🟠 A11Einholproblem mit Fallunterscheidung

Läuferin A (\(v_A = 4.0\;\text{m/s}\)) startet \(30\;\text{m}\) hinter Läufer B (\(v_B = 2.5\;\text{m/s}\)); beide laufen gleichzeitig los.

  1. Prüfe zuerst die Bedingung: Holt A überhaupt ein?
  2. Berechne die Einholzeit \(t^*\).
  3. Berechne den Treffpunkt über Läuferin A und kontrolliere ihn per Gegenrechnung über Läufer B.
  4. Wie lautet die Antwort, wenn A nur mit \(v_A = 2.5\;\text{m/s}\) läuft?
🟢 Lösung
  1. \(v_A - v_B = 4.0 - 2.5 = 1.5\;\text{m/s} \gt 0\) — Fall 1, A holt ein.
  2. Ansatz: \(v_A \cdot t = d + v_B \cdot t\), aufgelöst: \[ t^* = \frac{d}{v_A - v_B} = \frac{30\;\text{m}}{1.5\;\text{m/s}} = 20\;\text{s} \]
  3. Über A: \(s_A = v_A \cdot t^* = 4.0 \cdot 20 = 80\;\text{m}\). Gegenrechnung über B: \(s_B = d + v_B \cdot t^* = 30 + 2.5 \cdot 20 = 80\;\text{m}\) ✓.
  4. Dann ist \(v_A = v_B\) — Fall 2: A holt nie ein, der Abstand bleibt konstant \(30\;\text{m}\). Die Formel aus Teil 2 darf hier nicht verwendet werden (Division durch null).
🟠 A12Plausibilitäts-Check — Fehler finden und korrigieren

Timo rechnet: «Ein Auto fährt mit \(90\;\text{km/h}\). In 20 Minuten legt es \(s = v \cdot t = 90 \cdot 20 = 1800\;\text{km}\) zurück.»

  1. Zeige mit der Grössenordnung und mit dem Einheiten-Check, dass das Resultat falsch sein muss.
  2. Korrigiere die Rechnung.
  3. Bestätige dein Resultat mit einer Gegenrechnung.
🟢 Lösung
  1. Grössenordnung: \(1800\;\text{km}\) sind mehr als die Strecke Zürich–Madrid — in 20 Minuten unmöglich; bei \(90\;\text{km/h}\) sind es in einer ganzen Stunde erst \(90\;\text{km}\). Einheiten-Check: \(\text{km/h} \cdot \text{min}\) ergibt keine Kilometer — Stunden und Minuten wurden gemischt.
  2. Zuerst die Zeit umrechnen: \(20\;\text{min} = \dfrac{20}{60}\;\text{h} = \dfrac{1}{3}\;\text{h}\). Ansatz: \[ s = v \cdot t = 90\;\text{km/h} \cdot \tfrac{1}{3}\;\text{h} = 30\;\text{km} \]
  3. Gegenrechnung: \(v = \dfrac{s}{t} = \dfrac{30\;\text{km}}{1/3\;\text{h}} = 90\;\text{km/h}\) ✓ — das korrigierte Resultat besteht die Rückwärtsprobe, und \(30\;\text{km}\) in 20 Minuten passt auch zur Grössenordnung.

Zusammenfassung

Rechnen — Werkzeuge und Formeln

WerkzeugRegel / FormelMerkhilfe
Direkte Proportionalität\(y = k \cdot x\), Quotient \(y/x\) konstantdoppelt → doppelt
Indirekte Proportionalität\(y = k/x\), Produkt \(x \cdot y\) konstantdoppelt → halb
Flächen\(A = a \cdot b\) (Rechteck), \(A = \pi r^2\) (Kreis)\(r\) im Quadrat: \(2r \to 4A\)
Volumen\(V = a b c\) (Quader), \(V = \pi r^2 h\) (Zylinder)Grundfläche mal Höhe; \(1\;\text{m}^3 = 1000\;\text{l}\)
Kreis und Bogenmass\(U = 2\pi r\), \(\;\varphi_{\text{rad}} = s/r\), \(\;360° = 2\pi\;\text{rad}\)\(1\;\text{rad} \approx 57.3°\): Bogen = Radius
Zehnerpotenzen\(a^m \cdot a^n = a^{m+n}\); wissenschaftlich \(m \cdot 10^{n}\) mit \(1 \le m \lt 10\)Engineering: Exponent 3, 6, 9, … → µ, m, k, M, G
Gleichungen umstellenauf beiden Seiten dieselbe OperationWaage im Gleichgewicht
RundenEndergebnis auf 3 signifikante StellenZwischenresultate nie runden

Schliessen — Denkwerkzeuge

DenkwerkzeugKernideeBeispiel
Je-desto-AussageEine Grösse ändern, Wirkung beobachten — alle anderen Grössen konstant haltenje grösser \(m\), desto grösser \(x\) (Feder)
Korrelation vs. KausalitätGemeinsames Wachsen beweist keine Ursache — nach der gemeinsamen Ursache fragenGlacé-Verkauf und Sonnenbrände
Variablen & KonstantenVor dem Rechnen klären: Was ändert sich, was bleibt fest?\(s = v \cdot t\) mit \(v = \text{const.}\)
DreisatzAuf 1 Einheit zurückführen, dann hochrechnen — nur bei konstantem Quotienten\(3\;\text{kg} \to 1\;\text{kg} \to 5\;\text{kg}\)
FallunterscheidungBedingung vor dem Einsetzen prüfen — Fälle getrennt behandeln\(t^* = \dfrac{d}{v_A - v_B}\) nur für \(v_A \gt v_B\)
Plausibilitäts-CheckGrössenordnung, Einheiten-Check, Gegenrechnung\(1800\;\text{km}\) in \(20\;\text{min}\)? Unmöglich.

Kernpunkte

Erst denken, dann rechnen, dann prüfen: Was ist Ursache, was Wirkung, was bleibt konstant? Welche Formel passt und wie wird sie nach der gesuchten Grösse aufgelöst? Und zum Schluss immer Grössenordnung, Einheiten und Gegenrechnung — ein Resultat ohne Kontrolle ist nur eine Behauptung.

Clips

Clips zu den Animationen — was jede Animation zeigt

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Transkripte — der gesprochene Text zum Mitlesen

Glacé, Sonnenbrand und Sonne: warum eine steigende Punktwolke nichts beweist

  1. 0:00In der Animation stehen sechzig Sommertage als Punkte: waagrecht der Glacé-Verkauf, senkrecht die Sonnenbrände. Je mehr Glacé, desto mehr Sonnenbrände. Macht Glacé also Sonnenbrand?
  2. 0:11Die Punkte steigen deutlich nach rechts oben. Der Korrelationskoeffizient r beträgt null Komma neun drei. Bei eins lägen alle Punkte genau auf einer steigenden Geraden. Die beiden Grössen wachsen also stark gemeinsam.
  3. 0:24Jetzt färbt die Animation dieselben Punkte nach den Sonnenstunden ein. Die blauen Tage mit wenig Sonne liegen unten links, die gelben mit viel Sonne oben rechts. Die Wolke ordnet sich nach der Farbe.
  4. 0:35Im Modell der Animation hängen beide Grössen nur von den Sonnenstunden ab. Jede Sonnenstunde bringt rund sechsundzwanzig Portionen Glacé mehr und knapp zweieinhalb Sonnenbrände mehr. Einen direkten Weg von Glacé zu Sonnenbrand gibt es im Modell nicht.
  5. 0:50Ob eine Grösse die andere verursacht, zeigt erst ein Experiment: eine Grösse gezielt ändern und alles andere festhalten. Gratis-Glacé an einem bewölkten Tag bringt keinen einzigen Sonnenbrand mehr.
  6. 1:03Merke: Wenn zwei Grössen gemeinsam steigen, beweist das keine Ursache. Oft treibt eine dritte Grösse beide. Beweiskraft hat erst das Experiment.

Masse an der Feder: was die Dehnung bestimmt

  1. 0:00In der Animation hängt eine Masse an einer Schraubenfeder. Mit dem Regler änderst du nur die Masse, die Feder bleibt dieselbe. Wie weit dehnt sich die Feder?
  2. 0:09Ein Kilogramm hängt an der weichen Feder mit fünfundzwanzig Newton pro Meter. Die Gewichtskraft ist neun Komma acht eins Newton. Die Feder dehnt sich um neununddreissig Komma zwei Zentimeter.
  3. 0:21Jetzt zwei Kilogramm. Die Dehnung steigt auf achtundsiebzig Komma fünf Zentimeter, genau doppelt so viel. Der Punkt wandert auf einer Geraden durch den Ursprung: Masse und Dehnung sind proportional.
  4. 0:33Nun die harte Feder mit fünfzig Newton pro Meter, wieder mit zwei Kilogramm. Die Dehnung ist nur noch neununddreissig Komma zwei Zentimeter, die Gerade ist flacher. Die Federkonstante bestimmt die Steigung.
  5. 0:45Ein Kilogramm an der weichen Feder und zwei Kilogramm an der harten ergeben dieselbe Dehnung. Hätte man Masse und Feder zugleich gewechselt, wüsste man nicht, was gewirkt hat. Darum ändert man immer nur eine Grösse.
  6. 0:57Merke: Je grösser die Masse, desto grösser die Dehnung, aber nur solange die Feder dieselbe bleibt. Doppelte Masse gibt doppelte Dehnung.

Tempomat oder feste Fahrzeit: was bei der Velofahrt konstant ist

  1. 0:00In der Animation fährt ein Velo nach der Formel s gleich v mal t. Einmal ist das Tempo fest, einmal die Fahrzeit. Was ist hier eigentlich konstant?
  2. 0:09Zuerst die Tempomat-Sicht: Das Tempo ist fest, sechs Meter pro Sekunde. Waagrecht steht die Zeit. Nach fünfundvierzig Sekunden ist das Velo zweihundertsiebzig Meter weit.
  3. 0:21Nach dreissig Sekunden sind es hundertachtzig Meter. Die Gerade bleibt dieselbe, nur der Punkt wandert. Die Strecke wächst linear mit der Zeit, die Steigung ist das Tempo.
  4. 0:31Nun die andere Sicht: Die Fahrzeit ist fest, genau fünfundvierzig Sekunden bis zur Ampel. Bei sechs Metern pro Sekunde landet der Punkt wieder bei zweihundertsiebzig Metern. Waagrecht steht jetzt aber das Tempo.
  5. 0:44Mit zehn Metern pro Sekunde werden es in derselben Zeit vierhundertfünfzig Meter. Dieselbe Formel, aber jetzt ist das Tempo die Variable und die Zeit die Konstante.
  6. 0:54Merke: Welche Grösse in einer Formel fest ist, entscheidet die Situation, nicht die Formel. Vor jeder Rechnung lohnt die Frage: Was ändert sich, was nicht?

Äpfel und Tauchtiefe: der konstante Quotient im Diagramm

  1. 0:00In der Animation stehen zwei Beispiele für direkte Proportionalität: Äpfel am Marktstand und ein Taucher in der Tiefe. Was haben die beiden gemeinsam?
  2. 0:09Zweieinhalb Kilogramm Äpfel zum Preis von drei Franken zwanzig pro Kilogramm kosten acht Franken. Das Steigungsdreieck zeigt: Ein Kilogramm mehr kostet immer drei Franken zwanzig mehr.
  3. 0:21Im zweiten Beispiel taucht jemand zehn Meter tief. Mit der Faustregel ein Bar pro zehn Meter lastet ein Bar zusätzlich auf dem Taucher, über dem Luftdruck. Die Wassersäule über ihm ist die Ursache.
  4. 0:33In zwanzig Metern Tiefe ist die Wassersäule doppelt so hoch, der Druck steigt auf zwei Bar. Doppelte Tiefe, doppelter Druck: Der Punkt liegt wieder auf einer Geraden durch den Ursprung.
  5. 0:44Der Test für direkte Proportionalität ist der Quotient. Kosten durch Menge ergibt immer drei Franken zwanzig pro Kilogramm, Druck durch Tiefe immer null Komma eins Bar pro Meter. Bleibt der Quotient gleich, sind die Grössen proportional.
  6. 0:57Merke: Zwei Grössen sind direkt proportional, wenn ihr Quotient gleich bleibt. Doppelt so viel ergibt doppelt so viel, und im Diagramm entsteht eine Gerade durch den Ursprung.

Butter und Fahrzeit: das konstante Produkt als Rechteck

  1. 0:00In der Animation stehen zwei Beispiele für indirekte Proportionalität: Butter, die man auf eine grössere Fläche streicht, und eine Fahrt, die schneller wird. Was bleibt hier gleich?
  2. 0:10Zehn Kubikzentimeter Butter auf hundert Quadratzentimetern Brot ergeben eine Schicht von einem Millimeter. Die getönte Fläche unter dem Punkt ist Fläche mal Dicke: immer die zehn Kubikzentimeter Butter.
  3. 0:22Im zweiten Beispiel ist eine Strecke von hundertzwanzig Kilometern zu fahren. Mit achtzig Kilometern pro Stunde dauert das eine Komma fünf null Stunden, also neunzig Minuten.
  4. 0:33Mit hundertzwanzig Kilometern pro Stunde dauert dieselbe Strecke nur noch eine Stunde. Schneller fahren verkürzt die Zeit, aber die Fläche des Rechtecks bleibt: hundertzwanzig Kilometer.
  5. 0:44Der Test für indirekte Proportionalität ist das Produkt. Fläche mal Dicke ergibt immer zehn Kubikzentimeter, Tempo mal Zeit immer hundertzwanzig Kilometer. Bleibt das Produkt gleich, sind die Grössen indirekt proportional.
  6. 0:57Merke: Zwei Grössen sind indirekt proportional, wenn ihr Produkt gleich bleibt. Doppelt so viel ergibt halb so viel, und im Diagramm entsteht eine Hyperbel.

Äpfel am Marktstand: der Dreisatz als Gerade durch den Ursprung

  1. 0:00In der Animation kosten drei Kilogramm Äpfel sieben Franken fünfzig. Wie viel kosten fünf Kilogramm?
  2. 0:09Der erste Schritt geht auf eins zurück: Sieben Franken fünfzig durch drei Kilogramm ergibt den Preis, zwei Franken fünfzig pro Kilogramm. Im Diagramm ist das der violette Punkt bei einem Kilogramm.
  3. 0:22Dann wird hochgerechnet: fünf Kilogramm mal zwei Franken fünfzig pro Kilogramm ergibt zwölf Franken fünfzig. Der Punkt liegt auf derselben Geraden durch den Ursprung wie der gegebene.
  4. 0:32Sechs Kilogramm sind doppelt so viel wie drei, also kosten sie doppelt so viel: fünfzehn Franken. Die Rechnung über den Preis kommt auf dasselbe.
  5. 0:41Der Dreisatz funktioniert nur, weil Menge und Kosten proportional sind. Jeder Punkt hat denselben Quotienten, den Preis. Mit einem Mengenrabatt wäre das nicht mehr so, und der Dreisatz ginge schief.
  6. 0:53Merke: Beim Dreisatz rechnet man zuerst auf eins zurück, dann hoch. Das geht nur, wenn die Grössen proportional sind.

Höher oder breiter: warum der doppelte Radius viermal so viel fasst

  1. 0:00In der Animation ist ein Zylindertank zu sehen. Mit zwei Reglern änderst du Radius und Höhe. Was bringt mehr Volumen: doppelte Höhe oder doppelter Radius?
  2. 0:10Der Tank hat einen halben Meter Radius und einen Meter Höhe. Pi mal null Komma fünf null Meter im Quadrat mal ein Meter ergibt null Komma sieben acht fünf Kubikmeter, also siebenhundertfünfundachtzig Liter.
  3. 0:22Bei doppelter Höhe, zwei Metern, fasst der Tank tausendfünfhunderteinundsiebzig Liter: genau doppelt so viel. Das Volumen ist proportional zur Höhe.
  4. 0:31Bei doppeltem Radius und wieder einem Meter Höhe sind es dreitausendeinhundertzweiundvierzig Liter: viermal so viel. Der Radius steht im Quadrat, und zwei im Quadrat ist vier.
  5. 0:43Die Formel liefert Kubikmeter, wenn Radius und Höhe in Metern stehen. Ein Kubikmeter sind tausend Kubikdezimeter, also tausend Liter. Darum wird aus null Komma sieben acht fünf Kubikmetern siebenhundertfünfundachtzig Liter.
  6. 0:56Merke: Beim Zylinder steht der Radius im Quadrat. Doppelter Radius gibt vierfaches Volumen, doppelte Höhe nur doppeltes.

Bogen gegen Radius: wie aus Grad das Bogenmass wird

  1. 0:00In der Animation dreht sich ein Radiusarm um den Mittelpunkt eines Kreises, und der Bogen wächst mit. Wie hängen Winkel, Bogen und Radius zusammen?
  2. 0:09Der Knopf für ein Radiant stellt siebenundfünfzig Komma drei Grad ein. Bei einem Meter Radius ist der Bogen dann einen Meter lang, genau so lang wie der Radius. Das ist die Idee des Bogenmasses: Bogenlänge geteilt durch Radius.
  3. 0:23Bei hundertachtzig Grad läuft der Bogen über den halben Kreis. Er ist drei Komma eins vier Meter lang, also Pi mal den Radius. Hundertachtzig Grad sind darum Pi Radiant, drei Komma eins vier zwei.
  4. 0:35Bei dreihundertsechzig Grad ist der Bogen der ganze Umfang: sechs Komma zwei acht Meter, zwei Pi mal der Radius. Der Vollwinkel misst also zwei Pi Radiant.
  5. 0:45Jetzt wieder ein Radiant, aber mit zwei Metern Radius. Der Winkel bleibt gleich, der Bogen wird doppelt so lang: zwei Meter. Das Bogenmass hängt nur am Verhältnis von Bogen und Radius, nicht an der Grösse des Kreises.
  6. 0:58Merke: Das Bogenmass ist Bogenlänge durch Radius. Ein Radiant ist der Winkel, bei dem der Bogen so lang ist wie der Radius, rund siebenundfünfzig Grad. Hundertachtzig Grad sind Pi Radiant.

Mantisse oder Exponent: wer den Punkt auf der Zehnerleiter wie weit schiebt

  1. 0:00In der Animation stellst du eine Länge als Mantisse mal Zehnerpotenz ein. Ein Punkt zeigt sie auf einer Leiter, deren Stufen jeweils mal zehn bedeuten. Was verschiebt die Mantisse, was der Exponent?
  2. 0:11Die Starteinstellung ist ein Haar: sieben mal zehn hoch minus fünf Meter. Ausgeschrieben sind das null Komma null null null null sieben Meter, mit Vorsilbe siebzig Mikrometer. Der Punkt sitzt auf der unteren Leiter.
  3. 0:24Schiebe die Mantisse bis neun Komma neun. Die Länge wird neunundneunzig Mikrometer. Der Punkt rückt nur innerhalb derselben Stufe nach rechts, bis kurz vor zehn hoch minus vier.
  4. 0:35Jetzt wieder sieben, aber mit dem Exponenten minus vier. Der Punkt springt eine ganze Stufe nach rechts: null Komma null null null sieben Meter, siebenhundert Mikrometer. Das ist zehnmal so viel wie das Haar.
  5. 0:47Mit eins Komma zwei und dem Exponenten fünf steht der Punkt auf der oberen Leiter bei Bern–Zürich: hundertzwanzigtausend Meter, hundertzwanzig Kilometer. Der Exponent ist von minus fünf auf fünf gestiegen, zehn Stufen über dem Haar.
  6. 1:01Merke: Der Exponent gibt die Stufe an, die Grössenordnung. Die Mantisse zwischen eins und zehn legt den Wert innerhalb der Stufe fest. Jede Stufe ist mal zehn, drei Stufen sind eine Vorsilbe.

Die Formel-Waage: warum dasselbe Kärtchen auf beide Schalen muss

  1. 0:00In der Animation steht eine Gleichung auf einer Waage: links die eine Seite, rechts die andere. Jede Umformung legt dasselbe Kärtchen auf beide Schalen. Warum bleibt die Waage dabei im Gleichgewicht?
  2. 0:12Die Formel v gleich s durch t soll nach t aufgelöst werden. Zuerst stört der Nenner. Also kommt auf beide Schalen mal t. Die Waage bleibt waagrecht, und rechts kürzt sich t weg: v mal t gleich s.
  3. 0:23Legt man das Kärtchen nur rechts auf, kippt die Waage. Links steht noch v, rechts s. Aus der Gleichung ist eine Ungleichung geworden. Genau das passiert, wenn man t nur auf einer Seite streicht.
  4. 0:35Zurück zur richtigen Umformung. Aus v mal t gleich s wird durch v auf beiden Seiten: t gleich s durch v. Jetzt steht t allein, das Ziel ist erreicht.
  5. 0:45Bei V gleich Pi mal r Quadrat mal h, aufgelöst nach r, teilt man zuerst durch Pi mal h. Dann steht r Quadrat allein, und erst jetzt kommt auf beide Seiten die Wurzel. Die Wurzel ist der letzte Schritt.
  6. 0:57Merke: Umstellen heisst, auf beiden Seiten dieselbe Operation auszuführen, bis die gesuchte Grösse allein steht. Nenner: mal nehmen. Faktor: teilen. Quadrat: Wurzel ziehen, und zwar zuletzt.

Einholen mit Bedingung: warum t* = d/(vA − vB) nur gilt, wenn A schneller ist

  1. 0:00In der Animation startet Läuferin A am Start, Läufer B vierzig Meter weiter vorne. Beide laufen mit konstantem Tempo. Holt A den Läufer B ein, und wann?
  2. 0:10Mit fünf gegen drei Meter pro Sekunde macht A in jeder Sekunde zwei Meter gut. Den Vorsprung von vierzig Metern hat sie nach zwanzig Sekunden aufgeholt. Dann sind beide bei hundert Metern.
  3. 0:22Mit drei Komma fünf gegen drei Meter pro Sekunde beträgt die Differenz nur noch null Komma fünf. Die Einholzeit wächst auf achtzig Sekunden, der Treffpunkt liegt bei zweihundertachtzig Metern. Je knapper der Unterschied, desto später.
  4. 0:36Laufen beide drei Meter pro Sekunde, sind die Geraden parallel. Der Abstand bleibt vierzig Meter, A holt nie ein. In der Formel stünde null im Nenner. Ist A sogar langsamer, wächst der Abstand. Die Formel gilt also nur, wenn A schneller ist.
  5. 0:50Zurück zu fünf gegen drei Meter pro Sekunde, aber mit sechzig Metern Vorsprung. Jetzt braucht A dreissig Sekunden und trifft B bei hundertfünfzig Metern. Der Vorsprung steht im Zähler: anderthalbmal so viel Vorsprung, anderthalbmal so lange.
  6. 1:06Merke: A holt B nur ein, wenn A schneller ist. Dann ist die Einholzeit der Vorsprung geteilt durch die Tempodifferenz. Bei gleichem oder kleinerem Tempo gibt es keinen Treffpunkt.

Zwei Balken, vier Zahlen: wie viel Genauigkeit jede Rundung kostet

  1. 0:00In der Animation wird dieselbe Zahl auf zwei Arten gerundet: auf zwei Kommastellen und auf drei signifikante Stellen. Zwei Balken zeigen den relativen Fehler. Welche Rundung ist fairer?
  2. 0:12Bei vierhundertzweiundfünfzig Komma drei neun ändert sich auf zwei Kommastellen nichts, der Fehler ist null. Auf drei signifikante Stellen wird daraus vierhundertzweiundfünfzig, mit null Komma null acht sechs Prozent Fehler. Beide Balken sind winzig.
  3. 0:27Jetzt null Komma null vier acht eins null sieben. Auf zwei Kommastellen bleibt null Komma null fünf, eine einzige geltende Ziffer: drei Komma neun drei fünf Prozent Fehler. Drei signifikante Stellen ergeben null Komma null vier acht eins, nur null Komma null eins fünf Prozent.
  4. 0:44Bei null Komma null null null sechs zwei acht vier bleibt auf zwei Kommastellen nur null Komma null null. Die Zahl ist weg, der Fehler beträgt hundert Prozent. Drei signifikante Stellen behalten null Komma null null null sechs zwei acht.
  5. 0:58Bei neunzehn Komma sechs eins acht liegen beide nahe beieinander, beide unter null Komma eins Prozent Fehler. Mit drei signifikanten Stellen bleibt der Fehler in allen vier Beispielen so klein.
  6. 1:10Merke: Kommastellen behandeln grosse und kleine Zahlen ungleich. Signifikante Stellen zählen ab der ersten Ziffer, die nicht null ist, und bleiben bei jeder Grössenordnung genau. Darum runden wir in der Physik auf drei signifikante Stellen.

Zwei Velos, zwei Rechenwege: wie die Gegenrechnung einen Fehler entlarvt

  1. 0:00In der Animation fahren zwei Velos auf einer dreihundert Meter langen Strasse aufeinander zu, A von links mit zwölf, B von rechts mit acht Metern pro Sekunde. Wo treffen sie sich, und wie prüft man das?
  2. 0:12Zusammen verkürzen die Velos den Abstand um zwanzig Meter pro Sekunde. Für dreihundert Meter brauchen sie also fünfzehn Sekunden. Im Diagramm schneiden sich die beiden Geraden genau dort.
  3. 0:23Von links gerechnet ist A nach fünfzehn Sekunden hundertachtzig Meter gefahren. Von rechts gerechnet hat B hundertzwanzig Meter zurückgelegt und ist bei dreihundert minus hundertzwanzig, also ebenfalls hundertachtzig Metern. Zwei unabhängige Wege, dasselbe Ergebnis.
  4. 0:39Jetzt ist ein Fehler eingebaut: Die Treffzeit wird als dreihundert durch zwölf gerechnet, fünfundzwanzig Sekunden. Von links wäre A bei dreihundert Metern, von rechts wäre B bei hundert Metern. Zweihundert Meter Unterschied: Die Gegenrechnung deckt den Fehler sofort auf.
  5. 0:54Richtig gerechnet, aber mit achtzehn gegen sechs Metern pro Sekunde: Die Treffzeit ist zwölf Komma fünf Sekunden. Von links ergibt das zweihundertfünfundzwanzig Meter, von rechts dreihundert minus fünfundsiebzig, ebenfalls zweihundertfünfundzwanzig. Der schnellere A fährt weiter, der Treffpunkt rückt zu B.
  6. 1:12Merke: Ein Ergebnis, das man auf zwei unabhängigen Wegen gleich erhält, ist sehr wahrscheinlich richtig. Weicht die Gegenrechnung ab, steckt sicher ein Fehler in der Rechnung.

Runden: warum drei signifikante Stellen und nicht zwei nach dem Komma

  1. 0:00Der Rechner zeigt viele Stellen. Auf wie viele davon soll man runden — und wonach zählt man überhaupt?
  2. 0:09Kommastellen zählen ab dem Komma. Signifikante Stellen zählen ab der ersten Ziffer, die nicht null ist — führende Nullen zählen nie mit.
  3. 0:19Bei einer kleinen Zahl bricht die erste Art zusammen: Von null Komma null vier acht bleibt auf zwei Kommastellen nur eine einzige geltende Ziffer übrig — fast vier Prozent Fehler.
  4. 0:29Und jetzt der eigentliche Grund. Dieselbe Länge in Meter und in Millimeter: Auf Kommastellen gerundet kommen zwei verschiedene Werte heraus. Auf signifikante Stellen derselbe.
  5. 0:40Darum runden wir in diesem Lehrmittel auf drei signifikante Stellen, sofern nichts anderes angegeben ist. Das passt zur Genauigkeit üblicher Messgeräte und gilt in jeder Einheit gleich.
  6. 0:51Zwei Dinge noch: Gerundet wird erst am Schluss, nicht in jedem Zwischenschritt. Und die Einheit gehört zum Resultat, sonst sagt die Zahl nichts.

Proportional oder nicht: der Test mit Quotient und Produkt

  1. 0:00Doppelt so viele Äpfel kosten doppelt so viel. Doppeltes Tempo braucht aber nicht den doppelten Bremsweg. Wann darf man verdoppeln?
  2. 0:09Direkt proportional heisst: Beide Grössen wachsen im gleichen Verhältnis. Der Quotient bleibt gleich.
  3. 0:17Indirekt proportional heisst: Was die eine Grösse zulegt, verliert die andere. Das Produkt bleibt gleich.
  4. 0:25Der Test ist immer derselbe: Zwei Wertepaare nehmen, einmal teilen und einmal malnehmen. Was gleich bleibt, sagt, welcher Fall vorliegt.
  5. 0:34Beim Bremsweg stimmt keines von beidem. Doppeltes Tempo gibt den vierfachen Weg — der Quotient wächst, das Produkt auch.
  6. 0:42Merke: Direkt proportional heisst konstanter Quotient, indirekt proportional konstantes Produkt. Wer keines von beidem findet, hat einen anderen Zusammenhang vor sich.

Der Dreisatz: über die eine Einheit schliessen

  1. 0:00Sieben Brötchen kosten fünf Franken sechzig. Was kosten zwölf?
  2. 0:09Zuerst der Wert für ein Stück: fünf Franken sechzig, geteilt durch sieben.
  3. 0:17Dann mit der gesuchten Anzahl malnehmen: zwölf mal achtzig Rappen sind neun Franken sechzig.
  4. 0:25Beide Schritte zusammen ergeben eine Verhältnisgleichung. In der Physik steht dort statt Stückzahl irgendeine Grösse.
  5. 0:33Bei indirekter Proportionalität kehrt sich der Bruch um. Sechs Pumpen brauchen nicht länger als vier, sondern kürzer.
  6. 0:41Merke: Der Dreisatz geht über die Eins. Bei direkter Proportionalität steht die gesuchte Zahl im Zähler, bei indirekter im Nenner.

Gleichungen umstellen: auf beiden Seiten dasselbe tun

  1. 0:00Die Formel gibt den Druck, gesucht ist die Fläche. Umstellen ist kein Auswendiglernen, sondern eine einzige Regel.
  2. 0:09Eine Gleichung ist eine Waage. Solange beide Seiten dasselbe erfahren, bleibt sie im Gleichgewicht.
  3. 0:17Wegschaffen lässt sich jede Rechnung mit ihrer Gegenoperation: malnehmen gegen teilen, plus gegen minus, Quadrat gegen Wurzel.
  4. 0:25Aus Druck gleich Kraft je Fläche wird Fläche gleich Kraft je Druck — in zwei Umformungen.
  5. 0:33Mit Zahlen: fünfhundert Newton, geteilt durch zweihunderttausend Pascal, sind null Komma null null zwei fünf Quadratmeter — also fünfundzwanzig Quadratzentimeter.
  6. 0:43Merke: Umstellen heisst, beide Seiten gleich zu behandeln. Die Einheiten machen jede Umformung mit — und verraten den Fehler, wenn einer passiert ist.

Plausibilität: drei Proben, bevor man dem Resultat glaubt

  1. 0:00Der Rechner zeigt eine Zahl. Er rechnet aber auch Unsinn fehlerfrei — die Kontrolle bleibt an dir.
  2. 0:09Erste Probe: Rechne die Einheiten mit. Kommt die gesuchte heraus, ist der Ansatz mindestens formal richtig.
  3. 0:17Zweite Probe: Überschlag im Kopf, mit gerundeten Zahlen und Zehnerpotenzen. Stimmt die Zehnerpotenz?
  4. 0:25Dritte Probe: Vergleiche mit etwas Bekanntem. Ein Mensch läuft nicht mit hundert Stundenkilometern, ein Auto wiegt keine Tonne pro Rad.
  5. 0:34Zehn Kilometer bei zwölf Stundenkilometern: null Komma acht drei Stunden, also fünfzig Minuten. Der Überschlag bestätigt es — fünf Minuten je Kilometer.
  6. 0:44Merke: Einheit, Grössenordnung, Alltagsvergleich. Wer diese drei Proben macht, gibt kein Resultat ab, das um eine Zehnerpotenz danebenliegt.