Hinweise und Lösungen der Aufgaben zur Ermittlung des Lernstandes

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Hinweise und Lösungen der Aufgaben zur Ermittlung des Lernstandes

Jahrgangsstufe 9, Fach Physik für das Schuljahr 2020/21

Rechtliche Hinweise:

Die Bereitstellung der Aufgaben zur Feststellung des Lernstandes der Schülerinnen und Schüler als Sammlung gemäß § 60b Absatz 3 des Urheberrechtsgesetzes erfolgt mit der Absicht, dass die Aufga- ben ausschließlich zu Lehr- und Unterrichtszwecken im Präsenzunterricht einer Klasse oder Lern- gruppe genutzt werden. Über die vorgesehene Nutzung der Aufgaben hinaus ist eine weitergehende Veröffentlichung der Aufgaben (z B. auf der Homepage einer Schule) oder Weitergabe an Dritte un- zulässig.

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2 Hinweise für die Fachkonferenz Physik 1. Zielsetzung

Nach einer langen Phase des Distanzunterrichts im letzten Schuljahr ist es zu Beginn dieses Schuljahres ganz besonders wichtig, den individuellen Lernstand der Schülerinnen und Schüler als Ausgangspunkt für die Planung und Durchführung des Unterrichts zu berücksichtigen. Die Schülerinnen und Schüler haben unter sehr unterschiedlichen häuslichen und schulischen Be- dingungen gelernt und nicht alle Kompetenzen konnten im Distanzunterricht gleichermaßen ge- fördert werden.

Um Sie bei der Ermittlung des Lernstandes in Ihrem Fach zu unterstützen, werden Ihnen Aufga- ben zur Verfügung gestellt, die sich auf die im jeweiligen Fachteil C des Rahmenlehrplans 1-10 ausgewiesenen Standards beziehen. Sie sollen in den ersten drei Wochen des Schuljahres 2020/2021 durch die Schülerinnen und Schüler im Präsenzunterricht bearbeitet werden. Die Ge- samtbearbeitungsdauer beträgt in jedem Fach für alle Aufgaben ca. 90 Minuten. Es ist jedoch möglich, die Aufgabenbearbeitung auf mehrere Unterrichttage der ersten drei Unterrichtswo- chen zu verteilen.

Die Aufgaben ersetzen keine Diagnose, sondern können lediglich den Ausgangspunkt für fachliche und pädagogische Schlussfolgerungen bilden. Bitte achten Sie darauf, dass die Schülerinnen und Schüler sowie deren Eltern über Sinn und Zweck der Ermittlung des Lernstandes informiert sind und sorgen Sie dafür, dass keine Prüfungsatmosphäre entsteht. Eine Bewertung oder Beno- tung der Ergebnisse erfolgt nicht.

Bitte beachten Sie auch die Hinweise zum Urheberrecht auf den Deckblättern der Aufgabenhef- te.

2. Bezug zum Rahmenlehrplan

Im Rahmenlehrplan Physik heißt es auf S. 27: „Die Themenfelder sind didaktisch verbunden und ergeben eine sinnvolle und begründete Reihenfolge, die jedoch nicht starr ist und an Lerngrup- pen und schulartspezifische Bedingungen angepasst werden kann.“

Aufgrund dieser Vorgabe und auch aufgrund der unterschiedlichen Umsetzung der Kontingent- stundentafeln an den Schulen kann es erforderlich sein, die Zusammenstellung einzelner Aufga- ben zu ändern.

Auf- gabe

Themenfeld Einsatz der

Aufgaben 8.1 Thermisches Verhalten von Körpern

am Anfang des 8. Schuljahres 8.2 Wechselwirkung und Kraft

8.3 Mechanische Energie und Arbeit 9.1 Thermische Energie und Wärme

am Anfang des 9. Schuljahres 9.2 Elektrischer Strom und elektrische Ladung

9.3 Elektrische Stromstärke, Spannung, Widerstand und Leistung 10.1 Gleichförmige und beschleunigte Bewegungen

am Anfang des 10. Schuljahres¹ 10.2 Kraft und Beschleunigung

10.3 Magnetfelder und elektromagnetische Induktion

1 Auswahl von 3 Aufgaben

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3 10.4 Radioaktivität und Kernphysik

Für die Themenfelder

- Energieumwandlungen in Natur und Technik (TF 11), - Mechanische Schwingungen und Wellen (TF12) und - Optische Geräte (TF13)

liegen keine Aufgaben vor. Es wird davon ausgegangen, dass die entsprechenden Inhalte größ- tenteils in der Klassenstufe 10 unterrichtet werden.

Tabelle 1: Einsatz und Themenfeldbezug der Aufgaben 3. Art der Aufgaben

Jede Aufgabe bezieht sich auf ein Themenfeld des Rahmenlehrplanes Physik und besteht aus drei Teilaufgaben, die folgende Merkmale besitzen:

 In der ersten Teilaufgabe in der Rubrik Kurz gefragt – kurz geantwortet wird Wissen aus dem jeweiligen Themenfeld mithilfe von Fragen mit Mehrfachauswahl, kurzen Lücken- texten, einfachen Berechnungen oder grafischen Darstellungen erfragt. Für die richtige Beantwortung der fünf Fragen werden 5 Bewertungseinheiten erteilt.

 Bei den Teilaufgaben 2 und 3 geht es vor allem um das Anwenden von Wissen. Hierbei sind insgesamt 10 Bewertungseinheiten erreichbar.

Alle drei Aufgabenteile können vereinzelt fachliche Vertiefungen enthalten.

4. Durchführung

Die Aufgaben sind so konzipiert, dass sie in einer Zeit von 90 min zu lösen sein müssten.

Ausgehend von den Erfahrungen mit der Lerngruppe können die Lehrkräfte auch die jeweiligen Bearbeitungszeiten für die einzelnen Aufgaben festlegen und dafür sorgen, dass langsamere Schülerinnen und Schüler genügend Zeit zur Verfügung haben und schnellere adäquat gefordert werden.

Im Allgemeinen sind die PDF-Vorlagen zu verwenden. Die zur Verfügung gestellten Word- Vorlagen ermöglichen - falls notwendig - eine Anpassung für die sonderpädagogischen Förder- schwerpunkte "Hören", "Sehen", "körperliche und motorische Entwicklung" sowie bei autisti- schem Verhalten (siehe auch Hinweise für Schülerinnen und Schüler mit sonderpädagogischem Förderbedarf).

5. Auswertung

Für die geschlossenen Aufgaben gibt es am Ende Lösungsvorschläge, für offene Aufgaben mögli- che Kriterien für die Auswertung. Die Ergebnisse sind Grundlage für die Planung der weiteren Arbeit im Unterricht und sollten mit den Schülerinnen und Schülern besprochen werden. Auch den Eltern kann damit ein nachvollziehbarer Einblick bezüglich des Leistungsstands ihrer Kinder und der erforderlichen Maßnahmen zur Weiterentwicklung vermittelt werden.

Die folgende Tabelle verdeutlicht die Kompetenzbezüge der Aufgaben. Mit ihnen kann unter Be- rücksichtigung der Lösungen der Lernenden festgestellt werden, welche Kompetenzen noch nicht ausreichend ausgeprägt sind. Diese können in Wiederholungsphasen und gegebenenfalls aus Gründen der Effektivität auch in anderen Themenfeldern im zukünftigen Unterricht weiter- entwickelt werden.

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4

Aufgabe 9.1 Aufgabe 9.2 Aufgabe 9.3

2 3 1 2 3 1 2 3 1

Mit Fachwissen umgehen

Struktur der Materie x

System x

Wechselwirkung x x x x x

Energie

Erkenntnisse gewinnen

Beobachten, Vergleichen, Ordnen

Naturwissenschaftliche Untersu-

chungen durchführen x x x

Mit Modellen umgehen x x x

Elemente der Mathematik anwenden x

Kommunizieren

Informationen erschließen

Informationen weitergeben

Argumentieren – Interaktion

Über (Fach-)sprache nachdenken

Bewerten

Handlungsoptionen diskutieren und auswählen

Handlungen reflektieren

Werte und Normen reflektieren

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Erwartungsbilder zu den Aufgaben

Aufgabe 1

Thermische Energie und Wärme (TF 4)

Erwartete Teilleistungen BE

1. Kurz gefragt – kurz geantwortet 1.1 Ergänze den folgenden Satz.

Je kleiner die Temperatur eines Körpers ist, desto heftiger bewegen sich die Teil-

chen in ihm. 1

1.2 Schreibe die gesuchten Fachbegriffe auf.

 Der Vorgang, bei dem ein fester Körper in den flüssigen Aggregatszustand über- geht, nennt man Schmelzen .

 Der Vorgang, bei dem ein Gas in den flüssigen Aggregatszustand übergeht, nennt man Kondensieren .

 Der Vorgang, bei dem ein flüssiger Körper in den festen Aggregatszustand über- geht nennt man Erstarren .

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1.3 Kupferrohre, durch die warmes Wasser fließt, werden üblicherweise mit einer Wär- medämmung versehen. Man umhüllt die Rohre mit Schaumstoff. Dadurch wird die unerwünschte Wärmeübertragung an die Umgebung stark verringert.

Kreuze an, welche Art der Wärmeübertra- gung durch diese Maßnahme hauptsächlich verringert wird.

Wärmeleitung 

Wärmeströmung (Konvektion) 

Wärmestrahlung  1

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Abbildung: Kupferrohr (2) mit Schaumstoffisolierung (1)

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6

1.4 In einem Experiment ist das linke Ende eines Kupfersta- bes eingespannt. Am Kupfer- stab wurden drei Sechskant- muttern A, B und C mit Ker- zenwachs befestigt, siehe Abbildung. Das bei Zimmer- temperatur feste Wachs sorgt dafür, dass die Sechs- kantmuttern am Kupferstab kleben.

Was passiert im Laufe der Zeit, wenn unter das rechte Ende des Kupferstabes ein Gasbrenner gehalten wird?

Kreuze alle richtigen Antworten an.

Das Wachs schmilzt und nur die Sechskantmutter A fällt ab. 

Das Wachs schmilzt und alle Sechskantmuttern fallen gleichzeitig

ab. 

Das Wachs schmilzt und die Sechskantmuttern fallen in der fol-

genden Reihenfolge ab: A, B, C. 

Das Wachs schmilzt und die Sechskantmuttern fallen in der fol-

genden Reihenfolge ab: C, B, A. 

1

1.5 Auf welche Art hat sich im Experiment der Teilaufgabe 1.4 die Wärme im Kupferstab ausgebreitet.

Kreuze an.

Wärmeleitung 

Wärmeströmung (Konvektion) 

Wärmestrahlung 

1

Abbildung: Ein Kupferstab wird erhitzt

A B C

Wachs

Sechskantmutter

Kupferstab

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7

2. Isolierflaschen

Wenn ein heißes Getränk möglichst lange heiß bleiben soll, dann benutzt man eine Isolierflasche, auch Thermosgefäß genannt.

Im Material ist dargestellt, wie sich die Temperatur von Wasser in zwei Isolierflaschen im Laufe der Zeit ändert, wenn sie verschlossen bleiben. In beiden Isolierflaschen be- fand sich jeweils 1 Liter Wasser.

Außerdem enthält das Material weitere Informationen zu den Merkmalen der beiden Flaschen.

2.1 Ermittle mithilfe des Diagramms im Material die folgenden Angaben und trage sie in die Tabelle ein.

Anfangstemperatur der beiden Wassermengen in den

Isolierflaschen 98 °C

Temperaturdifferenz der beiden Wassermengen in

den Isolierflaschen zum Zeitpunkt 4 h 8 K

1

2.2 Ben möchte eine Isolierflasche kaufen. Er legt großen Wert darauf, dass sein Lieblings- tee möglichst lange heiß bleibt.

Welche von den beiden Isolierflaschen kannst du ihm empfehlen?

Begründe deine Aussage mit dem Diagramm im Material.

 Ben sollte die Isolierflasche 2 kaufen.

 Nach beliebigen Zeiten ist die Temperatur in der Isolierflasche 2 größer als in der Isolierflasche 1.

 Damit ist der Tee in Isolierflasche 2 länger heiß.

3

2.3 Laura hat die Isolierflasche 1 gekauft.

Nenne zwei Gründe, die für ihre Kaufentscheidung wichtig gewesen sein könnten.

Nutze dazu das Material.

 Preis

 Farbe

2

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8

2.4 Gib an, welche Wassermenge innerhalb der ersten 10 Stunden mehr Wärme abge- geben hat, die in Isolierflasche 1 oder die in Isolierflasche 2?

Wo ist die abgegebene Wärme geblieben?

(Hier ist keine Rechnung gefordert.)

 Die Wassermenge in Isolierflasche 1 hat sich stärker abgekühlt als die in Isolierfla- sche 2.

 Da beide Flüssigkeitsmengen dieselbe Masse besitzen hat die Isolierflasche 1 mehr Wärme abgegeben.

 Die Wärme wurde an die Umgebung abgegeben.

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Aufgabe 2

Elektrischer Strom und elektrische Ladung (TF 5)

1. Kurz gefragt – kurz geantwortet 1.1 Wie in der Abbildung gezeigt,

befindet sich ein isoliert aufge- hängter Luftballon in der Nähe einer ebenfalls isoliert aufgestell- ten Metallkugel.

Beide Körper können elektrisch aufgeladen werden.

Entscheide, welche der folgenden Aussagen wahr sind.

Kreuze an.

Wenn der Luftballon und die Metallkugel elektrisch positiv geladen sind, dann bewegt sich der Luftballon auf die Metallkugel zu.  Wenn der Luftballon elektrisch positiv und die Metallkugel elektrisch negativ geladen sind, dann bewegt sich der Luftballon nach rechts.  Wenn der Luftballon elektrisch negativ und die Metallkugel elektrisch positiv geladen sind, dann existieren Abstoßungskräfte zwischen ihnen.  Wenn der Luftballon und die Metallkugel elektrisch neutral sind, dann gibt es

keine elektrischen Kräfte zwischen ihnen. 

Metallkugel

Luftballon

Abbildung: Kräfte zwischen geladenen Körpern

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9

1.2 Welche Aussagen über elektrische Feldlinien sind richtig.

Kreuze an.

Mit elektrischen Feldlinien lassen sich elektrische Felder modellhaft veran-

schaulichen. 

Elektrisch geladene Körper erzeugen in ihrer Umgebung elektrische Feldlinien.  Ein elektrisch positiv geladener Körper erfährt in einem elektrischen Feld eine Kraft. Diese Kraft und die Feldlinien des elektrischen Feldes haben dieselbe Richtung.



1

1.3 Schreibe für die folgenden beiden Geräte auf, welche Wirkung des elektrischen Stromes ausgenutzt wird.

Gerät Wirkung des elektrischen Stromes

Bügeleisen Wärmewirkung

LED (Leuchtdiode) einer

Schreibtischlampe Lichtwirkung

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1.4 Ergänze den fehlenden Begriff.

Die Ladungsträger, die in einem metallischen Leiter einen Stromfluss ermöglichen, nennt man Elektronen .

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1.5 Unter bestimmten Bedingungen können in Wolken elektrische Ladungen voneinander getrennt werden. Dadurch können Gewit- ter entstehen.

Veranschauliche das elektrische Feld zwischen der Unterseite der Gewitterwolke und der Erdober- fläche.

Ergänze dazu Feldlinien in der Abbildung.

1 + + + + + +

Abbildung: Ladungsverteilung in einer Gewitterwolke und in der Erdoberfläche unterhalb der Wolke

Gewitterwolke

Erdoberfläche _ _ _ _ _ _

+ + + + + +

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2. Aufbau einer Taschenlampe

Eine Taschenlampe besteht aus einer Batterie, einem Schalter, einer Glühlampe und Verbindungsleitern. Diese elektrischen Bauteile bilden einen einfachen elektrischen Stromkreis.

2.1 Zeichne einen Schaltplan für diesen elektrischen Stromkreis.

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2.2 Die Taschenlampe wurde 2 min betrieben. Dabei ist ein Strom von 0,4 A durch den Stromkreis geflossen.

Berechne die elektrische Ladung, die sich dabei durch den Stromkreis bewegt hat.

Q  t

Q0,4 A 120 s Q48 As Q48 C

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3. Überlege dir ein Experiment, mit dem du die magnetische Wirkung des elektrischen Stromes nachweisen kannst.

Veranschauliche dein Experiment mithilfe einer Skizze und beschreibe es kurz.

Erwartet werden

 die Darstellung eines stromdurchflossenen elektrischen Leiters (z. B. Spule oder Draht),

 die Darstellung eines Magneten (z. B. Magnetnadel oder Dauermagnet) und

 die Beschreibung einer Wechselwirkung zwischen Magnet und elektrischem Leiter.

3

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V U₀

V U₁

V U2

Abbildung: Spannungsmessung

Aufgabe 3

Elektrische Stromstärke, Spannung, Widerstand und Leistung elektri- sche Ladung (TF 6)

1. Kurz gefragt – kurz geantwortet

1.1 In der gegebenen Schaltung werden folgende Spannungen gemessen:

U0 = 9 V U1 = 7 V

Schreibe auf, welchen Messwert das Span- nungsmessgerät für U2 anzeigt.

U2 = 2 V

1

1.2 In der abgebildeten Schaltung werden folgende Stromstärken gemessen:

I1 = 40 mA I2 = 10 mA

Schreibe auf, welche Messwerte die Stromstärkemessgeräte für die beiden anderen Stromstärken anzeigen.

I3 = 30 mA

I4 = 40 mA

1 1.3 An einem elektrischen Bauelement liegt eine Spannung von 10 V an. Der Strom, der

durch das elektrische Bauelement fließt, hat eine Stärke von 2 A.

Wie groß ist der elektrische Widerstand dieses Bauelements?

Kreuze die richtige Antwort an.

5 W 50

    1

0,2 5

Abbildung: Stromstärkemessung A

I2

A I3

A I1

A I4

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1.4 Rechne um in mA. 0,25 A = 250 mA

Rechne um in Ω. 1,2 kΩ = 1200 Ω

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1.5 Wie ändert sich der elektrische Widerstand eines metallischen Leiters, wenn dessen Temperatur zunimmt.

Kreuze an.

Der elektrische Widerstand nimmt ab. 

Der elektrische Widerstand bleibt konstant. 

Der elektrische Widerstand nimmt zu. 

1

2. Sparsame LED-Lampen

Eine LED-Lampe hat eine Betriebs- spannung von 230 V und eine elektrische Leistung von

2,8 W.

2.1 Berechne die Stromstärke, die durch diese LED-Lampe fließt, wenn sie in Betrieb genommen wird.

z. B.

P  U P

 U 2,8 W

0,0122 A 230 V

  

2 Abbildung: LED-Lampe

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13

2.2 Ermittle die Energieaufnahme der LED-Lampe pro Jahr und berechne den Preis in € dafür.

Gehe dabei von den folgenden Annahmen aus:

 Die LED-Lampe ist an 365 Tagen pro Jahr täglich 2 h in Betrieb.

 Der Preis für 1 kWh beträgt 0,30 €.

el el

E W P t

    t2h 365 730h  Eel 2,8 W 730h 2044 Wh

   

Eel 2,044kWh

 

Preis x der Energiekosten für den Betrieb der LED-Lampe:

x 2,044kWh 0,30 € 

x 0,6132 € aufgerundet auf 0,62 €

3

3. Ein altes Aluminiumkabel wird ersetzt

Herr Müller lässt durch einen Elektriker die elektrische Zuleitung für eine Lampe in seinem Garten erneuern. Dabei wird die insgesamt 120 m lange Aluminiumleitung durch eine gleich lange Kupferleitung ersetzt. Die Querschnittsfläche beider Leitungen beträgt 1,5 mm².

3.1 Berechne die elektrischen Widerstände der Aluminiumleitung und der Kupferleitung.

Ermittle die Differenz der beiden Ergebnisse.

Nutze das Material.

R  A

Cu

mm² 120m

R 0,017 1,36

m 1,5mm²

     

Al

mm² 120m

R 0,028 2,24

m 1,5mm²

     

Al Cu

R R R 0,88

    

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3.2 Erläutere einen Vorteil, den das Ersetzen der Aluminiumleitung durch eine Kupferlei- tung bringt.

 In jedem metallischen Leiter wird elektrische Energie in Wärme umgewandelt.

Der Widerstand der Kupferleitung ist kleiner als der von der Aluminiumleitung.

 Folglich wird von der in den Stromkreis eingespeisten elektrischen Energie bei einer Kupferleitung weniger Wärme an die Umgebung abgegeben.

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