Hier findest du ein paar hilfreiche Zusatztipps und Input für eine effektivere Prüfungsvorbereitung. Am Ende findest du auch Beispielantworten für die einzelnen Aufgaben auf dem Methodenkapitel.
Assoziatives Lernen
Auf S. 14 findest du im Prüfungstrainer Tipps zum assoziativen Lernen. Es kann dabei helfen, trockene Inhalte ansprechender zu gestalten und sich leichter einzuprägen.
Die Loci Methode
Bei der Loci Methode geht es darum, Orte, Räume und Objekte deines alltäglichen Lebens mit Lerninhalten zu verbinden. In der Physik haben wir es oft mit sehr abstrakten Konzepten zu tun, die man sich nur schwer vorstellen kann. Wenn man es aber schafft, den Begriffen eine bildliche Vorstellung zu verleihen, kann man die abstrakten Inhalte greifbarer machen. Je absurder und besonderer die Assoziationen sind, umso leichter kannst du sie dir merken.
Beispiel: Wir betrachten Begriffe wie Elektron, Spannung, Stromstärke, oder auch Influenz und Widerstand in der Elektrizitätslehre. Hier kann man sich verschiedene Vorgänge in der Natur verbildlichen. Zum Beispiel kann man die Elektronen als Wassermoleküle visualisieren, die durch einen Wasserfall (Spannungsquelle) beschleunigt werden. Je größer die Spannung (Höhe des Wasserfalls) ist, desto stärker ist der Strom (Stromstärke) und umso mehr Energie besitzen die Teilchen. Die Energie kann dann mit technischen Geräten genutzt werden (die Teilchen treffen z. B. auf ein Wasserrad, das sich dann dreht).
Die elektrische Influenz kann man sich z. B. als Gruppe von Menschen vorstellen, die z. B. nach Geschlecht geteilt wurde (Ladungstrennung). Je größer der Abstand bzw. je deutlicher die Trennung ist, umso größer ist die Influenz. Lässt man die beiden Gruppenhälften wieder einander annähern (elektrische Verbindung), kommt es zu einer Bewegung, also einem Strom von Menschen (elektrischer Strom und Ladungsausgleich). Mit einem Hindernis (Widerstand) kann man die Größe dieses Stromes (Stromstärke) beeinflussen.
Lösungsansätze finden
Wir geben dir hier ein paar Beispiele, wie man bei typischen Aufgabenstellungen einen Ansatz findet (vgl. S. 30 im Abiturtraining).
Fluchtgeschwindigkeit herleiten
Beim Thema Gravitation muss man oft die Fluchtgeschwindigkeit berechnen. Das ist die Geschwindigkeit (das Tempo), das ein Objekt wie z. B. ein Satellit oder ein Raumschiff überschreiten muss, um seine Umlaufbahn um einen Planeten oder eine Sonne zu verlassen.
Überlegung: Wir entscheiden zuerst, welche physikalischen Gesetze hier gelten und aus welchem wir ggf. Informationen für die Fluchtgeschwindigkeit ziehen können. Da sich das Objekt periodisch um den Planeten bewegt, befindet er sich auf einer Ellipse. Meist vereinfachen wir den Fall zu einer Kreisbahn, damit wir das Szenario mit den in der Schule verfügbaren Formeln einfacher berechnen können. Auf einer Kreisbahn wirkt die Fliehkraft, die das Objekt auf seiner Bahn erfährt. Sie entspricht der Zentripetalkraft \(F_Z\). Gleichzeitig wird das Objekt durch die Gravitationskraft auf seiner Bahn gehalten, es wirkt also \(F_G\). Zu beachten ist hier, dass die Formel \(F_g=m\cdot g\) NICHT ANWENDBAR ist. Denn sie gilt nur in der Nähe des Erdbodens. Für weiter entfernte Objekte muss das allgemeine Newtonsche Gravitationsgesetz verwendet werden: \(F_G=\gamma\cdot\frac{m\cdot M}{r^2}\) Dabei ist \(m\) die Masse des Objektes und \(M\) die Masse des Planeten, \(r\) ist der Abstand von Objekt und Mittelpunkt des Planeten.
Da die Zentripetalkraft der Gravitationskraft entspricht, können wir die Gravitationskraft mit der Zentripetalkraft \(F_Z=\frac{m\cdot v^2}{r}\) gleichsetzen: \(F_Z=F_G\). Daraus ergibt sich nach Umformen eine Formel für die Geschwindigkeit \(v\).
Hinweis: In diesem Fall bringt uns die Energieerhaltung nicht weiter. Denn das Tempo des Objektes ist konstant und damit handelt sich um einen Prozess, bei dem keine Energie übertragen wird. Handelt es sich um einen Prozess mit Energieübertragung, bringt einen oft das Gleichsetzen von Energieformen weiter.
Sinkgeschwindigkeit herleiten
Ein anderes Beispiel, bei dem ein Ansatz mit Kräften zielführend ist, ist das Berechnen der Sinkgeschwindigkeit von Objekten in einer Flüssigkeit oder auch bei Öltröpfchen im Millikan-Versuch (vgl. S. 30). Der Ansatz eines Kräftegleichgewichts und damit das Gleichsetzen von Kräften führt dann weiter, wenn es eine konstante Geschwindigkeit gibt und sich ein Objekt trotz mehrerer wirkender Kräfte geradlinig gleichförmig bewegt.
Im Fall der des Sinkens werden die Kräfte nach unten und nach oben miteinander gleichgesetzt. Nach unten wirkt meist die Gravitationskraft \(F_g\). Nach oben wirkt dann die Auftriebskraft \(F_A\), abhängig vom Medium, sowie die Reibungskraft \(F_R\). Dann folgt: \(F_g=F_A+F_R\)
Wärmekapazität berechnen
Wird in der Thermodynamik Energie als Wärme übertragen, gibt es ein System, in dem sich die Temperatur \(T\) verändert und es gibt eine Temperaturdifferenz \(\Delta T\) für den Vergleich vor und nach dem Prozess. Für die übertragene Wärme gilt immer \(Q=\Delta E=c_m\cdot m\cdot \Delta T\) mit der spezifischen Wärmekapazität \(c_m\). Kennt man die aufgenommene bzw. abgegebene Wärme \(Q\) und damit die Energie übertragene Energie \(\Delta E\), kann man über die Temperaturdifferenz die Wärmekapazität berechnen.
Fallgeschwindigkeit berechnen
Fällt ein Objekt aus einer Höhe \(h\) über dem Erdboden nach unten, wird potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Es gilt immer und überall die Energieerhaltung, also \(E_\text{ges}=E_\text{pot}+E_\text{kin}=\text{konstant}\). Damit ergibt sich, dass die Verringerung der potenziellen Energie beim Fall der Zunahme an kinetischer Energie entspricht. Dabei geht man davon aus, dass keine Reibung wirkt, also keine zusätzliche Abgabe von Wärme geschieht. Man kann dann also die Gleichung \(\Delta E_\text{pot}=\Delta E_\text{kin}\) aufstellen. Daraus folgt dann \(m\cdot g\cdot h=\frac{m}{2}\cdot v^2\).
Auf dieser Grundlage kann man die Fallgeschwindigkeit \(v\) oder, je nach den Angaben in der Aufgabe, die Masse \(m\) des fallenden Objektes berechnen.
Hinweis: Das gilt nur, wenn das Objekt aus einer Höhr fällt, in der es sich noch „auf der Erde“ befindet. Für sehr große Entfernungen von der Erde, sollte man das allgemeine Gravitationsgesetz verwenden.
Beispielantworten
Assoziatives Lernen
S. 14, Aufgabe 1 (Loci Methode): Beim Photoeffekt treffen Photonen auf eine Metallplatte (z. B. Kupfer, hier: Sofa). Die Tür symbolisiert das Eintreten bzw. Auftreffen auf das Material. Je größer die Energie der Photonen ist, desto kleiner ist ihre Wellenlänge. Erst bei einer Wellenlänge von \(\lambda < 500\,\text{nm}\) genügt für diesen Fall die Energie, um die Elektronen aus dem Material herauszulösen. In der Repräsentation springen die Elektronen vom Sofa auf. Je größer die Energie der Photonen ist (je furchteinflößender sie sind), umso mehr kinetische Energie haben die Elektronen (sie springen schneller auf). Haben sich die Elektronen aus dem Material gelöst, bewegen sie sich zur Anode (Fenster). Je schneller sie das Fenster erreichen, umso größer ist ihre kinetische Energie und damit die gemessene Stromstärke (Beobachtung von Ampère).
Man kann sich auch vorstellen, dass die Elektronen sich leichter vom Metall (vom Sofa) lösen lassen, wenn die Ablöseenergie kleiner ist (z. B. weniger tiefes, weiches oder ein unbequemeres Sofa).
Sachverhalte visualisieren
S. 15, Aufgabe 1: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Thema elektromagnetische Induktion individuell zu strukturieren. Hier bietet sich eine Mind- oder Concept-Map eher an als ein Venn-Diagramm. Eine Möglichkeit ist es, die folgenden Begriffe miteinander zu verknüpfen: Magnetfeld, Lorentzkraft, Linke-Hand-Regel, Leiter(schleife), Induktionsgesetz, Fläche, magnetischer Fluss, Flussdichte, Spule, Windungszahl, Induktivität, Selbstinduktion, Permeabilität/Eisenkern, Lenzsche Regel, Generator/Elektromotor, Transformator, Induktionsherd
Abbildungen verstehen
S. 20, Aufgabe 1: Bei der Spaltung und Fusion von Kernen wird Energie frei. Das liegt daran, dass sich die Konstellation der Kerne bei der Teilung bzw. beim Zusammenschluss ändert. Betrachtet man die Bindungsenergie pro Nukleon, dann gibt es Konstellationen, die nach der Teilung eines großen Kerns bzw. dem Zusammenschluss zweier kleiner Kerne weniger Energie für den Zusammenhalt benötigen als vorher. Diese nicht benötigte Bindungsenergie wird dann bei der Spaltung bzw. Fusion frei.
Man kann die frei werdende Energie auch berechnen. Betrachtet man die Spaltung eines Radiumkerns in einen Radon- und einen Heliumkern (Abb. 1A), bemerkt man, dass die Summer der beiden Massen der Endprodukte kleiner ist als die Masse des Radiumkerns. Die Massendifferenz entspricht gemäß der Äquivalenz von Masse und Energie (\(E=m\cdot c^2\)) einer Energie. Diese Energie, die nicht mehr für die Bindung benötigt wird und nicht mehr zur Masse beiträgt, wird dann in Form von kinetischer Energie der Produkte frei und kann genutzt werden.
Mehr Infos zur Spaltung und Fusion findest du im Kapitel „Strahlung und Materie“ (S. 106) und insbesondere im entsprechenden Kasten zum „Kernspaltung und Kernfusion“ auf S. 112 im Abiturtraining.
S. 21, Aufgabe 1 (Schwingkreis): Analog zur Vorgehensweise für die Drehkristallmethode kann man auch die Abbildung des Schwingkreises analysieren.
Schritt 1 (erste Betrachtung): Die Abbildung zeigt eine schematische Darstellung der Entstehung einer elektromagnetischen Welle in einem Schwingkreis.
Schritt 2 (Beschriftung und Bestandteile): Die Abbildung zeigt sechs Momentdarstellungen von Kondensatorspannung und Stromfluss bzw. Magnetfeld in der Spule für unterschiedliche Zeitpunkte \(t\) in Abhängigkeit der Periodendauer. Darunter ist ein Diagramm, das des periodischen Verlaufs von Spannung und Stromstärke im Schwingkreis.
Schritt 3 (Unbekanntes klären): Je nach Vorwissen und vorheriger Auseinandersetzung mit der Funktionsweise eines Schwingkreises müssen ggf. Abkürzungen, Fachbegriffe oder Zusammenhänge nachgeschlagen werden. \(U_C\) steht für die Kondensatorspannung, \(U_L\) für die Spannung an der Spule, \(I\) für die Stromstärke und \(T\) für die Periodendauer (Dauer für einen Durchlauf von maximal zu minimal und zurück von Spannung bzw. Stromstärke).
Schritt 4 (Ableitung der Aussagen): Je nach Schwerpunkt und Fragestellung kann man der Abbildung unterschiedliche Aussagen entnehmen. Zum Zeitpunkt null ist die Kondensatorspannung maximal und es fließt noch kein Strom. Wenn sich der Kondensator entlädt, steigt die Stromstärke (negatives Vorzeichen aufgrund der Polung). Die Spannung an der Spule ist der Kondensatorspannung entgegengesetzt, aber vom Betrag gleich, da beide Elemente parallel geschaltet sind. Nach einer viertel Periodendauer ist der Kondensator entladen und die Stromstärke maximal. Deshalb ist auch das Magnetfeld der Spule maximal (vgl. S. 39, „Magnetfeld einer langen Spule“). Nach einer halben Periodendauer ist der Kondensator wieder vollständig geladen, aber mit umgekehrtem Vorzeichen der Spannung im Vergleich zum Beginn. Der Prozess wiederholt sich nun in umgekehrter Richtung, bis mit \(t=T\) wieder der Ausgangszustand erreicht wird. Spannung und Stromstärke alternieren periodisch. Dabei ändert sich also auch das elektrische und das magnetische Feld periodisch. Da sich beide Felder überlagern und von ihrer Quelle ausbreiten, entsteht dabei eine elektromagnetische Welle.
Schritt 5 (Inhalte festhalten): Bei der Verschriftlichung der Beschreibungen solltest du unbedingt darauf achten, angemessene Fachsprache zu verwenden. Nur dann kannst du sicher sein, dass du in der Prüfung auch die volle Punktzahl erreichen kannst. Deshalb bietet es sich an, sich zunächst Stichpunkte zu notieren und dabei die entsprechenden Fachbegriffe nutzen (ggf. in Schritt 3 recherchieren, wenn möglich). Erst dann solltest du eine Antwort formulieren.
Diagramme auswerten
S. 23, Aufgabe 1: Die Feldstärke eines Plattenkondensators ergibt sich mit der Spannung \(U\) und dem Plattenabstand \(d\) über \(E=\frac{U}{d}\). Für die Kraft auf eine Probeladung \(q\) in einem elektrischen Feld gilt \(F_\text{el}=E\cdot q\). Einsetzen der Feldstärke in diese Formel liefert das Ergebnis \(F_\text{el}=\frac{q}{d}\cdot U\).
Wird der Plattenabstand sowie die Ladung der Kugel nicht verändert, ist der Quotient \(\frac{q}{d}\) konstant. Man variiert dann die Spannung \(U\), misst die Kraft \(F_\text{el}\) und trägt sie in Abhängigkeit der Spannung in einem Diagramm auf. Da die Kraft und die Spannung über den konstanten Faktor \(\frac{q}{d}\) zusammenhängen, ergibt sich eine lineare Abhängigkeit, also eine Gerade im Diagramm. Die Steigung ist der Quotient. Kennt man die Ladung bzw. den Plattenabstand, kann man so die jeweils andere Größe experimentell ermitteln.
Versuchsprotokolle schreiben
S. 25, Aufgabe 1:
Schritt 3 (Liste der Materialien): Kondensator (ggf. mit bekanntem Plattenabstand), regelbare Spannungsquelle am Kondensator, geladene Metallkugel (z. B. über einen Bandgenerator), Stativ und Schnur als Aufhängung für die Kugel, Kraftmesser (z. B. Newtonmeter, sensitive oder Piezo-Waage), der zwischen Kugel und Mittelachse befestigt ist. Hinweis: Die Auslenkung der Kugel wird eine Kraft auf den Kraftmesser ausüben, welche dann in Abhängigkeit der Kondensatorspannung gemessen werden kann.
Schritt 4: Erstelle entsprechend der Materialien und Beschreibung eine aussagekräftige Skizze, in der die Materialien beschriftet und deutlich erkennbar sind (vgl. S. 29 zum Operator „Skizzieren“).