Physik Aufnahmeprüfung (Niveau gymnasiale Maturität)

Anforderungen im Fach Physik
für die Aufnahmeprüfung auf Niveau gymnasiale Maturität (Studiengang Sekundarstufe I)
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, senkrechter Wurf.
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.
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Kraftmesser.
Gleit-, Haft- und Rollreibung, Reibungszahl, Normalkraft, Auflagekraft.
Kräfte als Vektoren: Zusammensetzung und Zerlegung von Kräften, Resultierende.
Alle auf einen Körper wirkenden Kräfte angeben können, ebenes Kräftegleichgewicht.
Körper auf schiefer Ebene ohne Reibung.
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 anwenden können (Freier Fall,
senkrechter Wurf, Faden- und Federpendel, Achterbahn).
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 und Gasen
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, Flüssigkeiten und Gasen.
Längen-, Volumen und Dichteänderung, Längen- und Volumenausdehnungskoeffizient, Dichte- und
Gefrieranomalie des Wassers.
Zustandsgleichung idealer Gase pV=nRT.
Normalbedingungen/Normzustand, Normdruck, Normtemperatur, molares Volumen, Mol,
Teilchenzahl.
Wärme als Energieform
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Den Unterschied zwischen Temperatur und Wärme kennen und erklären können.
Zusammenhang zwischen Wärme und Energie, innere Energie, Verbrennungswärme, Heizwert,
Brennwert.
Kalorimetrie: Spezifische Wärmekapazität, Mischungstemperatur, Wärmeenergiebilanz.
Aggregatszustandsänderungen, Schmelz- und Verdampfungswärme.
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).
Sammellinse: Brennpunkt, Brennweite, Brechkraft (Dioptrie), reelles und virtuelles Bild,
Abbildungsgesetz, Linsenformel, Abbildungsmassstab.
Zerstreuungslinse: nur elementares Wissen (virtuelles Bild, negative Brechkraft).
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Strahlenverläufe skizzieren (nicht konstruieren).
Auge: Sehwinkel, Sehfehler, Brille.
Elektrischer Strom
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Elektrische Ladung und Kraft (qualitativ).
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.
Elektromagnetismus, Magnetfeld eines stromdurchflossenen geraden Leiters und einer geraden
Spule, Kraft auf stromdurchflossenen Leiter
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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):
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Optik (S.12-65)
Mechanik (S.76-123,130-157)
Wärmelehre (S.174-185,192-201)
Elektrizitätslehre (S.214-281)
Kuhn, W. (2000). Kuhn Physik 2. Grundkurse Sekundarstufe II. Braunschweig: Westermann.
(ISBN: 978-3-14-152141-2):
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Elemente der Mechanik (S.8-37: Beschleunigte Bewegungen, Newton'sche Axiome)
Elemente der Thermodynamik (S.110-121: ideales Gas, Gasgesetz)
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 80 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 Nadelspitze
zum blauen Pol hin zeigt. Ist der blau bemalte Pol ein Nord- oder ein Südpol. Begründen Sie die
Antwort.
Rechenaufgaben
5. 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?
6. 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.
7. Ein 11 kg schweres Ölgemälde ist wie gezeichnet an einem Nagel N aufgehängt. Am Bilderrahmen
sind bei A und B Haken angebracht an welchen ein Draht der Gesamtlänge 1.80 m befestigt ist.
Die Befestigungspunkte A und B haben voneinander 90 cm Abstand. (Die Zeichnung ist nicht
massstäblich; die Winkel sind nicht korrekt wiedergegeben.)
Berechnen Sie die Zugkraft auf jeden der beiden Haken A und B.
N
A
B
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8. Ein Kinderballon mit 30 cm Durchmesser enthält Helium und an ihm ist eine 50 cm lange Schnur
befestigt. Folgende Daten sind ausserdem bekannt:
o Temperatur im Ballon und in der umgebenden Luft: 0°C (= Normtemperatur)
o Druck im Ballon: 1.120 bar
o Druck in der umgebenden Luft: 1.013 bar (= Normdruck)
o Dichte von Helium bei Normbedingungen: 0.1785 kg/m 3
o Dichte von Luft bei Normbedingungen: 1.293 kg/m 3
o Masse der Ballonhülle zusammen mit der Schnur: 10 g
a) Wieviele Gramm Helium enthält der Ballon?
b) Ein kleines Gewichtstück wird mittels der Schnur am Ballon angehängt. Welche Masse muss es
besitzen, damit der Ballon gerade schwebt (d.h. weder aufsteigt noch absinkt)?
9. In eine anfänglich leere Porzellantasse wird heisser Tee gegossen. Wir wissen folgendes:
Masse der Tasse: 270 g
Anfängliche Temperatur der Tasse: 20°C
Spezifische Wärmekapazität von Porzellan: 800 J/kg·K
Anfängliche Temperatur des Tees: 95°C
Der Tee kann als Wasser aufgefasst werden; spezifische Wärmekapazität von Wasser:
4182 J/kg·K
o Kurze Zeit nach dem Eingiessen des Tees hat dieser eine Temperatur von 68°C, da er
sich an der Tasse abgekühlt hat.
a) Welche Wärmemenge gab der Tee an die Tasse ab?
b) Wieviel Tee wurde in die Tasse gegossen?
o
o
o
o
o
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
o
o
o
o
Spannung
Stromstärke
Widerstand
Leistung.
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Antworten/Lösungen
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. 16'700 N
6. 1090 N/m
7. 108 N
8. a) 2.79 g
9. a) 10'400 J
10. L1:
L2:
L3:
8V
4V
4V
b) 5.49 g
b) 91.8 g
1A
0.5 A
0.5 A
8Ω
8Ω
8Ω
8W
2W
2W
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