Konstruktion von Physik-Klausuraufgaben Grundlage Inhaltliche Aspekte Vorgaben und Lehrplan Fachliche Hinweise (neu!) Übung dazu Formulierungsaspekte (mit Übung) Operatoren Copyright G. Heinrichs 2006, geändert von Ihlefeld / Bastgen

Grundlage Konstruktionspapier Links: Allgemeine Prinzipien Rechts: Konkretisierung für Physik

Vorgabenpapier liefert abiturspezifische Hinweise Mehrere Sachbereiche Maximal zwei voneinander unabhängige Themen … Hinweise, die für alle Klausuren relevant sind Abiturspezifische Hinweise sollen hier nicht weiter thematisiert werden; diese wurden ausführlich in der Herbst-Veranstaltung vorgestellt. Hier soll näher auf die Hinweise eingegangen werden, die für alle Klausuren der Vorbereitungsphase relevant sind.

Relevanz der Hinweise Inhaltliche Aspekte Formulierungsaspekte Auf der Grundlage der in den Vorgaben, im Lehrplan und in den eingeführten Unterrichtsbüchern vorhandenen Aufgaben und Experimenten sollen die zu erstellenden Prüfungsaufgaben… Formulierungsaspekte Aus der Aufgabenstellung gehen Art und Umfang der geforderten Leistung hervor. Im Interesse der Eindeutigkeit orientiert sich die Formulierung der Arbeitsaufträge an den in Kapitel 3.3 der EPA Physik vorgesehenen Operatoren. Schüler müssen inhaltlich sinnvoll vorbereitet werden: Genauere Betrachtung der Vorgaben, der Lehrpläne und (zusätzlich) der „fachlichen Hinweise“ zeigen, dass einige lieb gewonnene Schwerpunktlegungen zugunsten einer ausgeglichenen Themenfestlegung aufgegeben werden müssen. -> 1. Teil der Fortbildung Wenn der Text wörtlich genommen wird, ist die Grundlage allerdings sehr schwach: nur die Aufgaben aus…? Ferner müssen die Schüler mit den im Abitur benutzten Operatoren vertraut gemacht werden. Das bedeutet, dass die Operatoren schon vorher eingeübt werden müssen. Sinnvoll: Schon in den Klausuren diese Operatoren benutzen. -> 2. Teil der Fortbildung!

Zusammenstellung aller obligatorischen Gegenstände (gemäß Lehrplan) der inhaltlichen Schwerpunkte (gemäß Vorgaben zum Abitur 2007) Farbcodierung: im LP nicht als obligatorisch ausgewiesen nicht als inhaltlicher Schwerpunkt ausgewiesen

Ladungen und Felder elektrisches Feld, elektrische Feldstärke Feldkraft auf Ladungsträger im homogenen Feld, radialsymmetr. Feld (nur Leistungskurs), Coulomb’sches Gesetz potenzielle Energie im elektr. Feld, Spannung, Kapazität  magnetisches Feld, magnetische Feldgröße B Lorentzkraft Stromwaage Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern Braunsche Röhre, Fadenstrahlrohr, Wien-Filter, Hall-Effekt (nur Leistungskurs)

Elektromagnetismus Elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz Drehung einer Leiterschleife im homog. Magnetfeld Selbstinduktion, Induktivität verzögerter Einschaltvorgang bei Parallelschaltung von L und R, Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen

Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetischer Schwingkreis, Grundphänomene, Analogie zum mechanischen Oszillator RCL-Schwingkreis 1Hz, Federpendel elektromagnetische Wellen Ausbreitung, Hertzscher Dipol Interferenz Mikrowelleninterferenz, Wellenwanne, Lichtbeugung am Spalt, Doppelspalt und Gitter, Wellenlängenmessung Ausbreitung von Licht

Relativitätstheorie (nur LK) Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und deren Konsequenzen Michelson Experiment relativistischer Impuls Äquivalenz von Masse und Energie, relativistische Kinematik

Thermodynamik (nur LK) Thermodynamische Maschinen (Stirling-Motor, Stirling-Kreisprozess, Wärmepumpe) 1. und 2. Hauptsatz der Thermodynamik Entropie dissipative Strukturen

Atom- und Kernphysik Linienspektren und Energiequantelung des Atoms, Atommodelle Beobachtung von Spektrallinien am Gitter, Franck-Hertz-Versuch Ionisierende Strahlung, Strahlungsarten, Nachweismethoden Röntgenspektroskopie Radioaktiver Zerfall Halbwertszeitmessung, Reichweite und Absorption von Gammastrahlung Kernspaltung und Kernfusion Kernbausteine, Bindungsenergie, Kettenreaktion

Quanteneffekte Lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese h-Bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode Linienspektren und Energiequantelung des Atoms de Broglie-Theorie des Elektrons, Welleneigenschaften von Teilchen, Elektronenbeugung an polykristalliner Materie Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik Doppelspaltversuch mit Elektronen und Licht reduzierter Intensität Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation

Inhaltlich geeignet oder nicht? Das ist hier die Frage! Gegeben: 3 Klausuraufgaben Aufgabe: Ankreuzen, ob Teilaufgabe geeignet, nicht geeignet oder bedingt geeignet ist (ggf. Erläuterung oder Begründung dazu) Ziel: Welche Relevanz haben die Schwerpunkte des eigenen Unterrichts für das Abitur? Zeit/Form: 30 min/Partnerarbeit Es geht noch nicht um Formulierungen (Verwendung von Operatoren), sondern ausschließlich um inhaltliche Aspekte Benutzen Sie das bunte Papier!

Fachliche Hinweise Es gelten die veröffentlichten Vorgaben (Stand Februar 2005). Die unter www.learnline.nrw.de ins Netz gestellten Beispielaufgaben verdeutlichen den Zusammenhang der Obligatorik des Fachs mit diesen Vorgaben. Die folgenden Hinweise sollen der weiteren Klärung und Präzisierung dienen:

Math. Kompetenzen „Grad der erwarteten mathematischen Kompetenzen“: Kompetenzen aus dem Grundkurs Mathematik Kenntnis der Punktnotation für Ableitungen von physikalischen Größen nach der Zeit Umgang mit trigonometrischen Funktionen

Math. Kompetenzen Nur für den Leistungskurs: Lösungen von Differentialgleichungen mit vorgegebenem Ansatz ungedämpfte harmonische Schwingungen Ein- und Ausschaltvorgänge radioaktiver Zerfall

Hilfsmittel zulässige Formelsammlungen zulässige Taschenrechner nur im Handel erhältliche nur im Kurs genutzt keine selbst erstellten oder ergänzten zulässige Taschenrechner im Kurs genutzte Rechner auch grafikfähige TR auch CAS

Inhaltliche Schwerpunkte Die in den Vorgaben in Klammern angegebenen Experimente sind geeignete Beispiele für die Erarbeitung der Inhalte im Unterricht. Ihre Durchführung ist nicht obligatorisch. Die inhaltlichen Schwerpunkte lassen sich wie folgt konkretisieren:

Fachliche Hinweise Elektromagnetismus/ Induktionsgesetz: Änderung der Flussdichte B und der Fläche A Elektromagnetische Schwingungen und Wellen: Kenntnis der Thomsonschen Schwingungsformel, Analogie zum mechanischen Oszillator auch bezüglich der Energiebilanzen

Fachliche Hinweise Relativitätstheorie (nur Leistungskurs): Lorenzkontraktion, Zeitdilatation und der relativistische Energiesatz E02 = E2 + p2c2 ; keine Lorenztransformation keine Minkowskidiagramme Atom- und Kernphysik / Atommodelle: Bohrsches Atommodell, Potentialtopfmodell (nur Leistungskurs)

Klausuraufgaben: Formulierung Aufgabe 1 (alt!) Bringt man NaCl in eine nicht leuchtende Bunsenflamme, so geht von der Flamme gelbes Licht der Wellenlänge  = 589 nm aus. Wie kommt diese Lichtemission zustande? Aufgabe 1 (neu!) Bringt man NaCl in eine nicht leuchtende Flamme eines Bunsenbrenners, so geht von der Flamme gelbes Licht der Wellenlänge λ = 589 nm aus. Erläutern Sie mit Hilfe des Bohrschen Atommodells das Zustandekommen dieser Lichtemission.

Klausuraufgaben: Formulierung Aufgabe 2 (alt!) Der Abbildung entsprechend wird ein weißer Schirm durch eine Natriumdampflampe und eine Glühlampe gleicher Lichtleistung ausgeleuchtet. An der Stelle, wo sich die Lichtkegel der Lampen kreuzen, wird die Bunsenflamme aus Aufgabe 1) in den Strahlengang beider Lampen gebracht. Dort, wo das Licht der Na-Lampe auftrifft, entsteht ein dunkler Schatten. Dort, wo das Glühlampenlicht auftrifft, entsteht kein Schatten. Erklären Sie diese Beobachtungen ausführlich, und betrachten Sie die Photonen der verschiedenen Lichtquellen einzeln. Aufgabe 2 (neu!) Eine Natriumdampflampe und eine Glühlampe senden Licht aus, das sich im Bereich der Bunsenbrennerflamme kreuzt und auf einem Schirm zwei getrennte Bereiche etwa gleicher Helligkeit ausleuchtet. Bringt man nun Natriumchlorid (NaCl) in die Flamme, so sieht man in dem von der Natriumdampflampe beleuchteten Bereich einen dunklen Schatten. In dem Schirmbereich, der von der Glühlampe angeleuchtet wird, erkennt man keine Veränderungen. 2.1. Zeichnen Sie die Versuchsanordnung von oben gesehen. 2.2. Analysieren Sie die Wirkung des Lichts der Natriumdampflampe auf die Natriumatome in der Flamme. 2.3. Erklären Sie nun, warum in nur einem der beiden Lichtkegel ein dunkler Bereich sichtbar ist. 2.4. Berechnen Sie die Photonenenergie des Natriumlichts in eV.

Operatoren (Auswahl) ermitteln einen Zusammenhang oder eine Lösung finden und das Ergebnis formulieren herleiten aus Größengleichungen durch mathematische Operationen eine physikalische Größe freistellen interpretieren/deuten kausale Zusammenhänge in Hinblick auf Erklärungsmöglichkeiten untersuchen und abwägend herausstellen nennen/ angeben Elemente, Sachverhalte, Begriffe, Daten ohne Erläuterungen aufzählen skizzieren Sachverhalte, Strukturen oder Ergebnisse auf das Wesentliche reduziert übersichtlich darstellen Herleiten ist m. E. mehr: phys. Größe freistellen -> eine neue Gleichung erzeugen

Aufgabe zu Operatoren formulieren Sie die Aufgaben mithilfe der Operatoren; orientieren Sie sich an den beigefügten Lösungen. Photoeffekt (GK) oder alternativ : Heißluftmaschine und Wechselstrom (LK) Zeit/Form: 45 min/Gruppenarbeit (max. 3 Pers./Gruppe) Warum nur 3 Personen? Rel. Rasche Entscheidung (eigene Erfahrung!) Lösung muss nicht perfekt sein Operatoren sollten exakter beschreiben (als die alte Version), was genau von den Schülern erwartet wird (siehe Lösung!!!) Schüler müssen lernen, genau zu lesen.

Vorbereitungen schulinterne Curricula überprüfen/verändern Methodenlernen, Beachtung der Operatoren (EPA) Schülerinnen und Schüler informieren und vorbereiten Klausuren der relevanten Typen und Umgang mit der Formelsammlung üben Orientierung an den Formaten der Beispielprüfungsaufgaben

Operatoren (1) Quelle: EPA-Physik, Kap. 3.3

Operatoren (2)

Operatoren (3)

Konstruktion der Prüfungsaufgaben (1) Grundlage: Lehrplan und ‚Vorgaben‘ (siehe „Obligatorik“) Anforderungsbereiche I-III gemäß Lehrplan Kap. 5.2 Unabhängigkeit von Teilaufgaben, ggf. Zwischenwerte Aufgabenarten gemäß Lehrplan Kap. 5.3.1

Konstruktion der Prüfungsaufgaben (2) Berücksichtigung mehrerer Sachbereiche (und Halbjahre) Kompetenzbereiche und Fachmethoden gemäß Lehrplan Kap 2.2 spezifischer Unterrichtsbezug entfällt Differenzierung GK-LK nicht nur quantitativ, sondern vor allem auch qualitativ Leistungsanforderungen orientiert an EPA-Physik, Kap.3.3

Aufgabenarten gemäß Kap. 5.3.1 Bearbeitung eines Demonstrationsexperiment Aufgabe mit fachspezifischem Material: nicht vorgeführtes Experiment Tabellen, Graphen, Messreihen Texte, Bilder, Filme, ... Durchführung und Bearbeitung eines Schülerexperiment keine rein numerisch oder ausschließlich aufsatzartig zu lösende Prüfungsaufgaben