Fachdossier Physik - Pädagogische Hochschule Schwyz

Fachdossier und Musterprüfung Physik
Anforderungen für die Zulassungsprüfung an die
Pädagogische Hochschule Schwyz (PHSZ)
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 Ver anschaulichung 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.
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 4 Themenbereichen geprüft:
Themenbereich 1: 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; Wirkungen der Kraft;
Gewichtskraft
Arbeit, Energie, Leistung; Hubarbeit und potentielle Energie, Beschleunigungsarbeit und
kinetische Energie
Wasserkraftwerke
Energieerhaltungssatz; Energieproblematik
Themenbereich 2: Wärmelehre
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Dichte und Temperatur
Aggregatzustände fest, flüssig, gasförmig und ihre Erklärung im Teilchenmodell
Wärmemenge, Mischungstemperaturen
PHSZ Fachdossier und Musterprüfung Physik
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Wärme als Energieform, Energieumwandlungen unter Berücksichtigung der Wärme;
Wirkungsgrad; Masse-Energie-Äquivalenz
Wärmekraftwerke, inkl. Atomkraftwerke (inkl. Radioaktivität, radioaktiver Abfall)
Phasenübergänge inkl. Betrachtung von Temperaturverlauf und Wärmemenge
Themenbereich 3: Elektrizitätslehre
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Der einfache Stromkreis: Elemente (Bauteile), Wirkungen, Grössen
Stromstärke- und Spannungsmessungen
Ohmsches Gesetz; Definition des Widerstandes
Energie und Leistung im Stromkreis
Gefahren des elektrischen Stromes
Themenbereich 4: Astronomie
Der Themenbereich 4 ist ein Selbstlernbereich: anhand von Unterlagen müssen Sie sich den
Stoff selbständig erarbeiten.
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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
Beurteilungskriterien
Beachten Sie die folgenden Punkte für die schriftliche Prüfung:
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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 (Themenbereich 1). Der ge naue 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.
Prüfungsmodalitäten
Prüfungsform
Zeit
Hilfsmittel
Das Fach Physik wird schriftlich und mündlich geprüft
60 Minuten (schriftlich) bzw. 15 Minuten pro Kandidat (mündlich)
Taschenrechner TI-30 oder vergleichbarer Typ, Formelsammlung
(Fundamentum oder vergleichbar, ohne eigene Ergänzung),
drehbare Sternkarte
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Durchführung
Bewertung
schriftliche Prüfung: ca. Mitte des Semesters (Termin und genauer Stoffumfang wird rechtzeitig bekannt gegeben)
mündliche Prüfung: am Ende des Semesters (Termin und genauer Stoffumfang wird rechtzeitig bekannt gegeben); sie dauert 15
Minuten und besteht aus zwei Aufgaben aus zwei verschiedenen
Themengebieten. Für beide Fragen steht ungefähr gleich viel
Zeit zur Verfügung.
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.
Empfohlene Literatur
Folgende Bücher enthalten Abschnitte, die die oben erwähnten Inhalte zumindest teilweise ab decken – meist behandeln sie jedoch mehr als die aufgeführten Themen:
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Fundamentum Mathematik und Physik; Formeln, Begriffe, Tabellen, …; Orell Füssli,
2011; ISBN 978-3-280-02744-8 (darf an der Prüfung benutzt werden)
Diverse Autoren: Impulse – Grundlagen der Physik für Schweizer Maturitätsschulen;
Klett und Balmer Verlag, Zug, 2009; ISBN 978-3-264-83935-7
Dorn-Bader, Physik in einem Band (Schülerband); Schroedel Verlag; ISBN 978-3-50786266-1
Vorlagen für den Selbstbau einer Sternkarte können hier heruntergeladen werden (zugelassenes und erforderliches Hilfsmittel für die Prüfung: http://www.dieterortner.ch/, Rubrik
„Astronomie“
Musterprüfung und Lösung
Goldau, 7. September 2016
Michel Hauswirth ([email protected])
PHSZ Fachdossier und Musterprüfung Physk
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Musterprüfung / Musterfragen mit Lösungen / Antworten
A.
Schriftliche Prüfung
1.
Mit welcher Geschwindigkeit muss das Erdöl in einer Rohrleitung von 100 cm² Querschnitt
fliessen, damit im Laufe einer Stunde 18 m³ davon hindurch fliessen?
[2]
2.
Ein Fahrradfahrer fährt los. Zuerst beschleunigt er 4 Sekunden lang gleichmässig auf eine
Geschwindigkeit von 10 m/s, fährt dann 3 Sekunden lang gleichförmig mit dieser Ge schwindigkeit und bremst dann 2 Sekunden lang gleichförmig, um schliesslich zum Stillstand zu
kommen.
a.
Zeichnen Sie das t-v-Diagramm! (s. Beiblatt, letzte Seite)
[1]
b.
Wie weit ist der Radfahrer insgesamt gefahren?
[1]
3.
Ein senkrecht geworfener Stein hat in 20 m Höhe die Geschwindigkeit 8 m/s.
Hinweis: Die folgende Aufgabe a. können Sie mit dem Energieerhaltungssatz lösen!
a.
Berechnen Sie die Anfangsgeschwindigkeit, mit der der Stein aufwärts geworfen wird.
[2]
b.
Wie lange fliegt der Stein aufwärts, vom Moment des Starts seiner Bewegung bis zum Punkt
des Stillstands?
[1]
4.
Bei einem Torschuss schiesst ein Spieler den Fussball (Masse 0.5 kg) mit einer Schuss kraft
von 500 N aufs Tor. Welche Geschwindigkeit erreicht der Ball, wenn das Ab schiessen etwa
0.02 s dauert ?
[2]
5.
Ein Mittelklassewagen (m = 800 kg) wird auf der Autobahn zum Überholen kurzzeitig von 90
km/h auf 108 km/h beschleunigt. Dieser Vorgang dauert 4 s.
6.
a.
Welche Beschleunigung erfährt das Auto, und welche Kraft erzielt diese Beschleunigung?
[2]
b.
Um welchen Betrag nimmt die kinetische Energie des Autos durch diesen Beschleuni gungsvorgang zu?
[2]
In einem Hallenbad ist eine Rutschbahn installiert. Damit man besser hinunter rutschen
kann, wird dauernd Wasser zum Start hinauf gepumpt, welches anschliessend die Bahn hin ab 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?
[2]
Ergänzung: Karopapier für Aufg. 2.a.
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B.
Mündliche Prüfung
1.
Bei einem Springbrunnen spritzt das Wasser mit 15 m/s aus den Düsen senkrecht nach oben.
a.
Zeichnen Sie ein t-v-Diagramm für einen bestimmen Wassertropfen und erklären Sie, wie Sie die
maximale Höhe bestimmen können.
b.
Welche Bedeutung hat die Steigung im t-v-Diagramm?
c.
Zeichnen Sie in das Diagramm ungefähr den Zeitpunkt ein, zu welchem ein Wassertropfen noch
eine Geschwindigkeit von 10 m/s hat.
d.
Wie verändert sich die maximale Höhe aus a., wenn das Wasser mit der halben Geschwindigkeit
die Düse verlässt? Begründen Sie!
e.
Wie lange benötigt ein Wassertropfen, bis er ganz oben angekommen ist?
f.
Peter behauptet „es dauert genau halb so lange, wie die in e. berechnete Zeit, bis der Wassertropfen die halbe Höhe erreicht hat.“ Hat Peter Recht? Begründen Sie!
g.
Berechnen Sie die maximale Höhe, welche ein Wassertropfen erreichen kann.
2.
In der nebenstehenden Schaltung sind zwei gleiche Lampen eingebaut. Der Strommesser I2 zeigt einen Strom von 230 mA an.
a.
Welchen Strom kann man an den anderen beiden Strommessern ablesen?
b.
Berechnen Sie die Leistung der Lampe L 2, wenn die Gesamtspannung 230 V beträgt.
c.
Berechnen Sie den Widerstand der Lampe L 2, wenn die Gesamtspannung 230 V beträgt.
d.
Wie verändert sich der Strom I 2 bei gleicher Spannung, wenn der Widerstand der Lampen ver doppelt wird?
e.
Wie verändert sich diese Leistung L 2 bei gleicher Spannung, wenn eine dritte und vierte Lampe
parallel zu den ersten beiden eingefügt wird?
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Lösungen / Antworten
A.
1.
Schriftliche Prüfung
Mit welcher Geschwindigkeit muss das Erdöl in einer Rohrleitung von 100 cm² Querschnitt
fliessen, damit im Laufe einer Stunde 18 m³ davon hindurch fliessen?
[2]
Das im Rohr befindliche Öl muss in der Stunde an der gedachten Messstelle vorbeifliessen; es ergibt
sich ein „Ölzylinder“:
V = At = Avt
2.
⇒
v=
18m 3
V
=
= 0.5 m /s ≙ 1.8 km/ h
At
0.01 m 2  3600 s
Ein Fahrradfahrer fährt los. Zuerst beschleunigt er 4 Sekunden lang gleichmässig auf eine
Geschwindigkeit von 10 m/s, fährt dann 3 Sekunden lang gleichförmig mit dieser Geschwindigkeit und bremst dann 2 Sekunden lang gleichförmig, um schliesslich zum Stillstand zu
kommen.
a.
Zeichnen Sie das t-v-Diagramm! (s. Beiblatt, letzte Seite)
[1]
b.
Wie weit ist der Radfahrer insgesamt gefahren?
[1]
(vgl. dazu auch die Grafik zu Teilaufgabe a.)
s = 4 s 5 m/s + 3 s10 m /s + 2 s 5 m/s = 60m
3.
Ein senkrecht geworfener Stein hat in 20 m Höhe die Geschwindigkeit 8 m/s.
Hinweis: Die folgende Aufgabe a. können Sie bequem mit dem Energieerhaltungssatz lösen!
a.
Berechnen Sie die Anfangsgeschwindigkeit, mit der der Stein aufwärts geworfen wird.
1
m v 20
2
=
1
m v2
2
+ mg h
⇒
[2]
v 0 = √v 2 + 2 g h = √( 8 m/ s ) + 210 m/s220m =
2
21.5 m /s ≙ 77.6 km /h
b.
Wie lange fliegt der Stein aufwärts, vom Moment des Starts seiner Bewegung bis zum Punkt
des Stillstands?
[1]
v = 0 = v 0 − gT
4.
⇒
T =
v0
21.5 m/s
=
= 2.15s
g
10 m/s2
Bei einem Torschuss schiesst ein Spieler den Fussball (Masse 0.5 kg) mit einer Schusskraft
von 500 N aufs Tor. Welche Geschwindigkeit erreicht der Ball, wenn das Abschiessen etwa
0.02 s dauert ?
[2]
v = at =
5.
F
500 N
t =
0.02 s = 20 m/s ≙ 72 km/ h
m
0.5 kg
Ein Mittelklassewagen (m = 800 kg) wird auf der Autobahn zum Überholen kurzzeitig von 90
km/h auf 108 km/h beschleunigt. Dieser Vorgang dauert 4 s.
a.
Welche Beschleunigung erfährt das Auto, und welche Kraft erzielt diese Beschleunigung?
a =
b.
Δv
5 m/s
2
=
= 1.25 m/s ;
Δt
4s
[2]
2
F = ma = 800 kg  1.25m / s = 1 000 N
Um welchen Betrag nimmt die kinetische Energie des Autos durch diesen Beschleuni gungsvorgang zu?
[2]
Δ E kin = E2 − E1 =
1
m v 22 − 12 m v 21
2
= 110 000 J
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=
1
m
2
[ v22 − v12 ]
[( ) ( ) ]
= 21800 kg 30
m
s
2
−
25
m
s
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6.
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?
[2]
P =
W
m gh
100 kg10 m /s2 5 m
1
=
=
= 83 3 W
t
t
60s
Ergänzung: Karopapier für Aufg. 2.a. / Lösung
B.
Mündliche Prüfung
1.
Bei einem Springbrunnen spritzt das Wasser mit 15 m/s aus den Düsen senkrecht nach oben.
a.
Zeichnen Sie ein t-v-Diagramm für einen bestimmen Wassertropfen und erklären Sie, wie Sie die
maximale Höhe bestimmen können.
Mit Hilfe der Beschleunigung (–10 m/s2 oder genauer –9.81 m/s2 ) lässt sich ausrechnen, wie lange ein
Wassertropfen bis zum höchsten Punkt benötig. Die Fläche unter dem Graphen im t-v-Diagramm (hier
Dreiecksfläche) entspricht dem zurückgelegten Weg.
b.
Welche Bedeutung hat die Steigung im t-v-Diagramm?
Die Steigung im t-v-Diagramm entspricht der Beschleunigung (hier negative Beschleunigung).
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c.
Zeichnen Sie in das Diagramm ungefähr den Zeitpunkt ein, zu welchem ein Wassertropfen noch
eine Geschwindigkeit von 10 m/s hat.
d.
Wie verändert sich die maximale Höhe aus a., wenn das Wasser mit der halben Geschwindigkeit
die Düse verlässt? Begründen Sie!
Die maximale Höhe ist nur noch ein Viertel so gross (Geschwindigkeit und Zeit halbieren sich).
e.
Wie lange benötigt ein Wassertropfen, bis er ganz oben angekommen ist?
f.
Peter behauptet „es dauert genau halb so lange, wie die in e. berechnete Zeit, bis der Wassertropfen die halbe Höhe erreicht hat.“ Hat Peter Recht? Begründen Sie!
Die Aussage von Peter ist falsch. Die Flächeninhalte unter dem Graphen im t-v-Diagramm, die dem zu rückgelegten Weg entsprechen, sind nicht gleich gross, wenn die Zeit halbiert wird.
g.
2.
Berechnen Sie die maximale Höhe, welche ein Wassertropfen erreichen kann.
In der nebenstehenden Schaltung sind zwei gleiche Lampen eingebaut. Der Strommesser I2 zeigt einen Strom von 230 mA an.
a.
Welchen Strom kann man an den anderen beiden Strommessern
ablesen?
Die Stromstärken I1 und I 3 sind gleich gross. Da sich bei gleichem Widerstand der Strom bei einer Parallelschaltung „aufteilt“, ist I 2 halb so gross
wie I1 resp. I3.
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I 1 = I 3 = 460 mA
b.
Berechnen Sie die Leistung der Lampe L 2, wenn die Gesamtspannung 230 V beträgt.
c.
Berechnen Sie den Widerstand der Lampe L 2, wenn die Gesamtspannung 230 V beträgt.
d.
Wie verändert sich der Strom I 2 bei gleicher Spannung, wenn der Widerstand der Lampen ver doppelt wird?
e.
Wie verändert sich diese Leistung L 2 bei gleicher Spannung, wenn eine dritte und vierte Lampe
parallel zu den ersten beiden eingefügt wird?
Durch Einfügen von zwei weiteren parallelen Widerständen halbiert sich der Gesamtwiderstand. Das
heisst, die Stromstärke I total verdoppelt sich. Diese Stromstärke „verteilt“ sich nun auf vier gleich grosse
Widerstände. Die Stromstärke I 2 bleibt also gleich. Ebenso die Spannung U 2. Die Leistung verändert sich
also nicht.
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