Physik Ergänzungsprüfung (Niveau Fachmaturität

Anforderungen im Fach Physik
für die Ergänzungsprüfung auf Niveau Fachmaturität Pädagogik (Kandidierende mit Berufs- oder
Fachmaturität für die Studiengänge Primarstufe und Kindergarten-Unterstufe)
Einleitung
Die Physik befasst sich mit den Phänomenen der unbelebten Natur, deren Abläufen, Veränderungen und
Gesetzmässigkeiten, die sie mit Hilfe einer möglichst präzisen Sprache – Fachbegriffe und Mathematik –
möglichst umfassend und allgemeingültig zu beschreiben versucht. Der Physikunterricht führt Schülerinnen und Schülern in diese Sprache und das Denken der Physik als Wissenschaft ein.
Kompetenzanforderungen
An die Kandidatin oder den Kandidaten werden folgende mit der Themenliste verknüpften Anforderungen
gestellt:
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Begriffe müssen in Worten - eventuell unter Verwendung von Zeichnungen - erklärt werden können.
Sie müssen zur Beschreibung von Phänomenen korrekt angewendet werden können.
Grössen müssen mit korrekten Masseinheiten (SI-System) berechnet bzw. für weitergehende Berechnungen verwendet werden können. Sehr grosse und kleine Masszahlen müssen mit Hilfe der Exponentialschreibweise und/oder mit Vorsätzen Milli, Mikro, Mega, usw. angegeben werden können.
Gesetze/Prinzipien müssen in Worten unter Verwendung der korrekten Begriffe erläutert und mit ihrer
Hilfe Phänomene qualitativ erklärt werden können. Lassen sich die Gesetze durch Formeln ausdrücken, so müssen damit Berechnungen durchführt werden können, wobei die Formeln gegebenenfalls
umzuformen sind. Ergebnisse sind mit korrekten Masseinheiten anzugeben und sollten interpretiert
und beurteilt werden können.
Physikalische Phänomene, alltägliche Situationen und elementare zum Verständnis physikalischer
Gesetze dienende Experimente müssen mit adäquaten Begriffen beschrieben und mit Bezugnahme
auf Gesetze und Prinzipien erklärt werden können.
Physikalische Geräte/Instrumente (Messinstrumente, Maschinen usw.) sind in ihrer wesentlichen
Funktionsweise zu verstehen und deren Anwendung muss erklärt werden können.
Kinematik geradliniger Bewegungen
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Ort, Wegstrecke, mittlere und momentane Geschwindigkeit, Beschleunigung.
Geradlinige Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit.
Geradlinige Bewegung mit konstanter Beschleunigung (gleichmässig beschleunigte Bewegung) mit
und ohne Anfangsgeschwindigkeit, z.B. Bremsweg, freier Fall.
Fallbeschleunigung.
Kräfte und ihre Wirkungen
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Trägheit.
Masse, Dichte.
Newton'sche Prinzipien, Grundgleichung der Mechanik Fres=m•a (Aktionsprinzip).
Gewichtskraft, Ortsfaktor.
Kraft und Verformung.
Hooke'sches Gesetz.
Federkraft, Federkonstante, Reissfestigkeit.
Kraftmesser.
Gleit-, Haft- und Rollreibung, Reibungszahl, Normalkraft, Auflagekraft.
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Arbeit, Energie, Leistung
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Hubarbeit und Lage-Energie (= potenzielle Energie).
Beschleunigungsarbeit und Bewegungsenergie (= kinetische Energie).
Spannarbeit und Spannenergie.
Die Masseinheit kWh.
Den mechanischen Energieerhaltungssatz in einfachen Situationen (geschlossene Systeme) mit den
drei Energieformen (Potentielle Energie, Kinetische Energie und Federenergie) anwenden können.
Druck und Auftrieb in Flüssigkeiten und Gasen
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Druck, Auflagedruck, die Druckeinheiten Pa und bar.
Druck in Flüssigkeiten, Stempeldruck, Schweredruck, hydrostatisches Paradoxon.
Luftdruck (ohne barometrische Höhenformel).
Auftrieb (Auftriebskraft) in Flüssigkeiten.
Gesetz von Archimedes, Absinken, Schweben, Aufsteigen, Schwimmen.
Wärme und Temperatur
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Temperatur, Celsius- und Kelvin-Skala (absolute Temperatur), Thermometer.
Thermisches Verhalten von Festkörpern und Flüssigkeiten.
Längen-, Volumen und Dichteänderung, Längen- und Volumenausdehnungskoeffizient, Dichte- und
Gefrieranomalie des Wassers.
Optik
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Lichtstrahlen, Licht und Schatten, Schattenschärfe, Halbschatten, Kernschatten, Lochkamera.
Gerichtete und ungerichtete Reflexion, ebener Spiegel, Reflexionsgesetz.
Lichtbrechung, Totalreflexion (qualitativ, d.h. keine Formeln).
Elektrischer Strom
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Leiter, Nichtleiter, Isolatoren.
Stromkreise, Stromstärke, Batterie, Spannung, Widerstand, Ohm'sches Gesetz.
Schaltpläne, Schaltsymbole, Modellvorstellungen zum Stromkreis.
Gesetze der Parallel- und Serieschaltung in einfachen Fällen anwenden (keine Kirchhoff'schen Regeln).
Messgeräte, Volt- und Ampere-Meter und deren korrektes Anschliessen.
Elektrische Energie, Leistung elektrischer Geräte.
Stromnetz, Polleiter, Neutralleiter, Erdschutzleiter, Stromgefahren, Schutzmassnahmen, Sicherung.
Magnetismus und Elektromagnetismus
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Magnete, Magnetpole, magnetisches Feld, Feldlinien, Kompass.
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Empfohlene Literatur
Nachfolgende Literaturhinweise enthalten die für die Prüfung relevanten Themengebiete.
— Kuhn, W. (1996). Kuhn Physik 1. Ausgabe in einem Band. Braunschweig: Westermann.
(ISBN: 978-3-14-152221-1):
–
Optik (S.12-41)
–
Mechanik (S.76-113,130-157)
–
Wärmelehre (S.174-181, 196-201)
–
Elektrizitätslehre (S.214-275)
—
Kuhn, W. (2000). Kuhn Physik 2. Grundkurse Sekundarstufe II. Braunschweig: Westermann.
(ISBN: 978-3-14-152141-2):
–
Elemente der Mechanik (S.8-37: Beschleunigte Bewegungen, Newton'sche Axiome)
Übungsaufgaben mit Lösungen sind zu finden in:
— Deutschschweizerische Physikkommission (2010). Physik anwenden und verstehen. Aufgaben für die
Sekundarstufe II. 4. Aufl.. Zürich: Orell Füssli.
(ISBN 978-3-280-04009-6)
Prüfungsmodalitäten
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Die Prüfung erfolgt schriftlich und dauert 60 Minuten.
Es werden Rechenaufgaben und Verständnisfragen qualitativen Inhalts gestellt.
Erlaubte Hilfsmittel:
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Eine Formelsammlung. Erlaubt sind „Formeln und Tafeln (DMK)“, „Fundamentum (DMK)“ und
„Papula (Vieweg+Teubner)“ ohne handschriftliche Notizen. Markierungen mit Leuchtstift und Indexkleber sind erlaubt.
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Ein Taschenrechner (Algebra- und grafikfähige Taschenrechner sind erlaubt; alle Aufgaben sind
aber auch mit einfachen Taschenrechnermodellen lösbar. Nicht erlaubt sind kommunikationsfähige Rechner und Handy).
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Alle Hilfsmittel werden während der Prüfung kontrolliert. Gemäss §12 der Weisung zum Aufnahme- und Immatrikulationsverfahren an der Pädagogischen Hochschule Zürich führt die Verwendung unerlaubter Mittel zum Nichtbestehen der gesamten Aufnahmeprüfung.
Etwa 50% der maximal zu erreichenden Punktezahl ergibt Note 4.
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Musteraufgaben
Verständnisfragen qualitativen Inhalts
1. Ein geparktes Auto steht auf horizontaler Strasse. Wirkt zwischen den Pneus und dem Boden eine Haftreibungskraft (=Haftkraft)? Begründen Sie Ihre Antwort.
2. Ein Schiff wird im Hafen beladen. Nimmt während des Beladens die auf das Schiff wirkende Auftriebskraft zu oder ab oder bleibt sie gleich? Begründen Sie die Antwort.
3. Warum ist der Neumond für uns nicht sichtbar?
4. Sie finden im Physikschrank einen Stabmagneten. Der eine Pol ist grün bemalt, der andere blau. Sie
halten den blauen Pol in die Nähe einer Kompassnadel und stellen fest, dass die normalerweise nach Norden zeigende Nadelspitze zum blauen Pol hin zeigt. Ist der blau bemalte Pol ein Nord- oder ein Südpol.
Begründen Sie die Antwort.
Rechenaufgaben
5. Ariane fährt mit dem Fahrrad an, in dem Moment, da die Ampel auf grün schaltet. Sie beschleunigt 5
Sekunden lang gleichmässig und legt dabei 15 m zurück. Ariane wiegt 58 kg und das Fahrrad 12 kg.
a) Wie gross ist die Beschleunigung?
b) Welche Geschwindigkeit in km/h hat sie nach diesen 5 Sekunden?
c) Wie gross ist die von Ariane verrichtete Beschleunigungsarbeit (von der Reibung abgesehen)?
6. Ein Lastwagen zieht einen Anhänger der Masse 15 Tonnen und beschleunigt innerhalb 5 Sekunden von
40 km/h auf 60 km/h.
Welche Zugkraft übt die Anhängerkupplung während des Beschleunigungsvorgangs auf den Anhänger
aus, wenn man von jeglichem Reibungswiderstand absieht?
7. Mit einer kleinen Federkanone wird eine Kugel der Masse 20 g senkrecht nach oben geschossen. Die
Feder wird um 3 cm zusammengedrückt und die Kugel erreicht eine Höhe von 2.5 m. Berechnen Sie die
Federkonstante.
8. Benzin besitzt den Volumenausdehnungskoeffizienten γ = 9·10-4 K-1 und bei 20°C die Dichte ρ = 744
kg/m3.
Man bezieht an einer Tankstelle 75 Liter Benzin.
a) Um wieviele Kilogramm Benzin handelt es sich, wenn die Temperatur 20°C beträgt?
b) Um wieviele Kilogramm Benzin handelt es sich, wenn die Temperatur 5°C beträgt?
9. Ein Elektrischer Ofen hat die Betriebsspannung 230 V, die Leistung 2500 W und ist während 7 Stunden
in Betrieb. Berechnen Sie
a) die Stromstärke in der Zuleitung
b) den elektrischen Widerstand des Ofens
c) die Stromkosten beim Tarif 22 Rp./kWh
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10. Drei gleiche Lampen sind wie gezeichnet an einer Batterie angeschlossen.
Nehmen Sie an, die Spannung
an Lampe 2 betrage 4 V und die
Stromstäke durch diese Lampe
0.5 A.
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Berechnen Sie von allen drei
Lampen
- Spannung
- Stromstärke
1
2
- Widerstand
- Leistung.
Antworten
1. Es wirkt keinerlei Reibungskraft, da keine Kraft in horizontaler Richtung (d.h. parallel zur Unterlage) auf
das Auto wirkt.
2. Bei einem auf der Wasseroberfläche schwimmenden Körper ist die Auftriebskraft gleich dem Gewicht
(Gewichtskraft) des Körpers. Beim Beladen nimmt das Gesamtgewicht des Schiffes zu, folglich auch die
wirkende Auftriebskraft.
3. Bei dieser Mondphase befindet sich der Mond zwischen Erde und Sonne. (Wenn dies exakt zutrifft, findet eine Sonnenfinsternis statt). Er kehrt uns also seine unbeleuchtete Seite zu und ist ausserdem nur
tagsüber am Himmel.
4. Die Spitze der Nadel ist selbst ein Nordpol (da sie nach Norden zeigt), folglich handelt es sich beim blau
bemalten Pol um einen Südpol, da sich gegenteilige Pole anziehen.
5. a) 1.2 m/s2
b) 21.6 km/h
c) 1260 J
6. 16'700 N
7. 1090 N/m
8. a) 55.8 kg
b) 56.6 kg (Dichte 754 kg/m3)
9. a) 10.9 A
b) 21.2 Ohm
10.
8V
4V
4V
L1:
L2:
L3:
1A
0.5 A
0.5 A
c) Fr.3.85
8Ω
8Ω
8Ω
8W
2W
2W
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