Physik

Ausbildung – Vorbereitungskurse
Physik
Fachdossier Niveau II
weiterwissen.
Anforderungen im Fachbereich Physik für die Zulassungsprüfung
Niveau II an die Pädagogische Hochschule Luzern (PHLU)
A Lernziele
Die Kandidatinnen und Kandidaten
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kennen exemplarisch wichtige Begriffe, Methoden, Experimente und Erkenntnisse aus
der Mechanik, der Wärmelehre, der Astronomie, der Elektrizitätslehre (Gleichstrom) und
der modernen Physik und können sie in einfachen Situationen anwenden;
kennen Anwendungen physikalischer Sachverhalte in Technik und Alltag;
übersetzen physikalische Sachverhalte in die Formelsprache und berechnen Werte;
beschreiben und interpretieren physikalische Sachverhalte in der Alltagssprache;
beherrschen Rechentechniken aus der Mathematik, insbesondere auch die grafische
Veranschaulichung von Zusammenhängen mittels Funktionsgraphen;
interpretieren Ergebnisse einer Berechnung und beurteilen Methoden;
kennen Problemlösestrategien und wenden sie an;
setzen Hilfsmittel wie Taschenrechner, Formelsammlung, drehbare Sternkarte u.a.
zweckmässig ein.
B Inhalte
A. Kenntnisse aus der Mathematik werden in dem Umfang vorausgesetzt, wie sie auch für die Prüfung in
Mathematik (s. Fachdossier Mathematik) verlangt werden.
B. In der Zulassungsprüfung werden Themen aus folgenden Themenbereichen geprüft:
Themenbereich 1: Geometrische Optik
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Ausbreitung von Licht; Camera obscura
Reflexionsgesetz; der ebene Spiegel
Brechungsgesetz; Totalreflexion
Linsen; Bildkonstruktionen; Linsengleichungen
Vergleich Auge-Fotoapparat
Themenbereich 2: Grundlagen; Mechanik
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Grössen und Einheiten, die wichtigsten Umrechnungen
Allgemeine Definition von Geschwindigkeit und Beschleunigung
Gleichförmige und gleichmässig beschleunigte Bewegung
Freier Fall
Bewegungsdiagramme
Grundgesetze der Mechanik: Trägheitsprinzip, Aktionsprinzip, Reaktionsprinzip, Kräfteparallelogramm;
Wirkungen der Kraft
Gewichtskraft, Federkraft (Hooke'sches Gesetz)
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o
o
Arbeit, Energie, Leistung; Hubarbeit und potentielle Energie, Beschleunigungsarbeit und kinetische
Energie, Dehnungsarbeit und Dehnungsenergie
Wirkungsgrad
Wasserkraftwerke
Energieerhaltungssatz; Energieproblematik
Themenbereich 3: Hydrostatik
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o
o
o
Druck
Hydraulische Presse
Schweredruck
Auftriebskraft
Themenbereich 4: Wärmelehre
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o
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o
o
Dichte und Temperatur (Celsiusskala und Kelvinskala)
Aggregatzustände fest, flüssig, gasförmig und ihre Erklärung im Teilchenmodell
Wärmemenge, Mischungstemperaturen
Wärme als Energieform, Energieumwandlungen unter Berücksichtigung der Wärme
Phasenübergänge inkl. Betrachtung von Temperaturverlauf und Wärmemenge
Kühlschrank und Wärmepumpe
Wärmekraftwerke inkl. Atomkraftwerke (inkl. Radioaktivität, radioaktiver Abfall); Masse-EnergieÄquivalenz
Themenbereich 5: Elektrizitätslehre
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o
o
o
o
o
Der einfache Stromkreis: Elemente (Bauteile), Wirkungen, Grössen
Stromstärke- und Spannungsmessungen
Ohmsches Gesetz; Definition des Widerstandes
Knoten- und Maschenregel; Parallel- und Serieschaltung von Widerständen
Energie und Leistung im Stromkreis
Gefahren des elektrischen Stromes
Themenbereich 6: Astronomie
Der Themenbereich Astronomie ist ein Selbstlernbereich: anhand von Unterlagen müssen Sie sich den Stoff
selbststaändig erarbeiten.
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C
Aufbau des Sonnensystems und des Weltalls; die wichtigsten Körper und Objekte; Sternbilder
Astronomische Koordinatensysteme; Himmelspole, Himmelsäquator, Ekliptik
Erscheinungen am Himmel eines Beobachtungsortes: Dämmerung, Kulmination, Auf- und Untergang von
Himmelskörpern; zirkumpolare Objekte
Drehbare Sternkarte: Einstellungen für einen Beobachtungsort
Empfohlene Vorbereitung / Literatur
Im Unterricht wird mit Skripten gearbeitet, welche in der ersten Lektion in kopierter Form abgegeben werden.
Bei Bedarf können diese auch über den Dozenten bezogen werden.
Folgende Bücher enthalten Abschnitte, die die oben erwähnten Inhalte zumindest teilweise abdecken und als
zusätzliche Hilfe dienen können– meist behandeln sie jedoch mehr als die aufgeführten Themen:
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o
D
Fundamentum Mathematik und Physik; Formeln, Begriffe, Tabellen, …; Orell Füssli, 2011; ISBN 9783-280-02744-8 (zugelassenes und erforderliches Hilfsmittel für die Prüfung)
Diverse Autoren: Impulse – Grundlagen der Physik für Schweizer Maturitätsschulen; Klett und Balmer
Verlag, Zug, 2009; ISBN 978-3-264-83935-7
Vorlagen für den Selbstbau einer Sternkarte können hier herunter geladen werden (zugelassenes und
erforderliches Hilfsmittel für die Prüfung): http://www.dieterortner.ch/, Rubrik „Astronomie“
Prüfungsmodalitäten und Bewertungskriterien
Prüfungsform
Zeit
Hilfsmittel
Durchführung
Bewertung
schriftlich und mündlich
60 Minuten (schriftlich) bzw. 15 Minuten pro Kandidat (mündlich)
Taschenrechner TI-30 oder vergleichbarer Typ, Formelsammlung
(Fundamentum oder vergleichbar), Sternkarte
schriftliche Prüfung: ca: Mitte Semester (Termin und genauer Stoffumfang wird
rechtzeitig bekannt gegeben); mündlich am Ende des Unterrichtssemesters
Die Note der schriftlichen und der mündlichen Prüfung – auf einen Zehntel gerundet
– ergibt die Fachnote Physik.
Aus den Fachnoten Biologie, Chemie und Physik wird die Fachbereichsnote
Naturwissenschaften ermittelt, die für das Bestehen der Zulassungsprüfung
massgeblich ist.
Beachten Sie die folgenden Punkte für die schriftliche Prüfung:
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o
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E
Der Lösungsweg muss überall ersichtlich sein, auch wenn zur Berechnung der Rechner eingesetzt wird.
Berechnungen müssen die Zahlenwerte und die korrekten Einheiten umfassen, Zahlenwerte sind
vernünftig zu runden.
Der Prüfungsstoff umfasst die Themen des ersten Quartals (Themenbereiche 1 und 2). Der genaue
Inhalt wird rechtzeitig bekannt gegeben und hängt auch vom Zeitpunkt der Prüfung ab.
Die Musterprüfung illustriert das Anforderungsniveau; die Prüfungsfragen und damit die Detailthemen,
die geprüft werden, variieren von Jahr zu Jahr, stammen aber aus dem Inhaltskatalog und entsprechen
den Lernzielen.
Musterprüfung / Musterfragen mit Lösungen / Antworten
s. folgende Seiten
Luzern, im Mai 2016
Remo Jakob ([email protected])
Vorbereitungskurs II der Pädagogischen Hochschule Luzern
Musterprüfung
Optik, Mechanik
Hilfsmittel: Taschenrechner, Fundamentum
Zeit: 60 Minuten
1. Bei trockener Strasse erhellen die Scheinwerfer des Autos die Strasse sehr gut. Bei Regen hingegen
wird in der Nacht das Autofahren dadurch erschwert, dass die Scheinwerfer des eigenen Autos die
Fahrbahn kaum erhellen.
Erklären Sie diese Begebenheiten mit Hilfe geeigneter Skizzen und erläutern Sie Ihre Zeichnungen.
2. Das Objektiv eines Fotoapparates hat eine Brennweite von 6 cm. Sie wollen eine Blume mit 5 cm
Durchmesser fotografieren. Der Abstand Linse – Blume beträgt 8 cm.
Berechnen Sie den Abstand und die Grösse des Bildes.
3. Die S-Bahn fährt von Haltestelle A ab, sie beschleunigt 40 Sekunden lang gleichmässig auf eine
Geschwindigkeit von 20 m/s, fährt dann 30 Sekunden lang gleichförmig mit dieser Geschwindigkeit und
bremst anschliessend 50 Sekunden lang gleichförmig, um schliesslich an der Haltestelle B zum Stillstand
zu kommen.
Skizzieren Sie das t-v-und das t-s-Diagramm für diese Bewegung. Wie weit sind die beiden Haltestellen
voneinander entfernt?
4. Ein Motor mit einer Kraft von 3750 N beschleunigt ein zu Beginn still stehendes Auto von 2.5 Tonnen
Masse.
Welche Geschwindigkeit erreicht das Auto in 5 Sekunden, wie weit kommt es in diesen 5 Sekunden?
5. Wie viel Energie ist nötig, um ein Auto der Masse 1200 kg von 0 auf 50 km/h zu beschleunigen?
Wie viel Energie braucht es, wenn das Auto anschliessend von 50 auf 80 km/h beschleunigt wird?
6. Ein Spielzeugfrosch wird mit einem angebrachten Saugnapf unter Zusammendrücken einer Feder auf
einem Tisch befestigt. Dabei wurde die Feder unter einem maximalen Kraftaufwand von 6 N um 2 cm
verkürzt. Nach kurzer Zeit springt der Frosch in die Höhe, weil der Saugnapf nicht mehr hält.
Wie gross ist die Arbeit, welche beim Zusammendrücken der Feder verrichtet wird?
Wie hoch springt der Frosch maximal, wenn er eine Masse von 5 Gramm hatl?
7. In einem Hallenbad ist eine Rutschbahn installiert. Damit man besser hinunter rutschen kann, wird
dauernd Wasser zum Start hinauf gepumpt, welches anschliessend die Bahn hinab fliesst. Zu diesem
Zweck muss eine Wasserpumpe in jeder Minute 100 Liter Wasser 5 Meter hinauf befördern.
Wie gross muss die Leistung der Pumpe mindestens sein?
Vorbereitungskurs II der Pädagogischen Hochschule Luzern
Lösung der Musterprüng
1. Bei trockener Strasse wird das Licht der Scheinwerfer am rauen Strassenbelag in alle erdenkbaren
Richtungen zurückgeworfen. Ein Teil des Lichtes gelangt in die Augen der Fahrerin. Dadurch sieht sie die
Strasse. Bei nasser Strasse wirkt der Belag wie ein Spiegel, welcher den grössten Teil des Lichtes in die
gleiche Richtung reflektiert. Dieses Licht gelangt nicht ins Auge der Fahrerin. Dadurch scheint die
Strasse dunkel.
2.
v
f  6 cm; G  5 cm; g  8 cm
20 m/s
1
1 1
1 1 1
   b      24 cm
f g b
 f g
G g
Gb
 B
 15 cm
B b
g
10 m/s
0s
3. Teilstrecken als Fläche unter den Kurvenabschnitten im
t-v-Diagramm interpretieren:
1
m
 40s  20  400m ,
2
s
m
s2  30s  20  600m ,
s
1
m
s3   50s  20  500m
2
s
s1 
50 s
t
100 s
Haltestelle A
Haltestelle B
s
1500 m
1400 m
1300 m
1200 m
1100 m
1000 m
900 m
4.
F 3750N
m

 1.5 2
m 2500kg
s
m
m
v  at  1.5 2  5s  7.5
s
s
800 m
F  ma  a 
700 m
600 m
500 m
400 m
s  vt 
1
(0  7.5)  5  18.75m
2
300 m
200 m
100 m
2
5. a) WB 
0s
50 s
100 s
1 2 1
m

mv  1200kg  13.9   116kJ
2
2
s 

2
2

1 2
1 2
1
1
m 
m 
2
2
b) WB  mvEnd  mv Anfang  m  vEnd  v Anfang   1200kg    22.2    13.9    180kJ

2
2
2
2
s  
s  

t
6.
1
(0  6N)  0.02m  0.06J
2
,
E
0.06J
 mgh  h  Spann 
mg
0.005kg 10 m
WSpann  F  s 
ESpann  E pot
m
W mgh 100kg  10 s 2  5m
7. P 


 84W
t
t
60s
 1.2m
s
2