TMSnat Physik: Themen und Lernziele

Worum es geht

In Physik zählen Formeln, Einheiten und Größenordnungen. Die Aufgaben sind so gestellt, dass sie mit Überschlag und runden Werten lösbar sind; Umrechnungen wie mmHg in Pascal gehören dazu.

Der Medizinbezug liegt nahe: Blutdruck und hydrostatischer Druck, Hebel am Unterarm, Linsen und Brillen, Schallpegel und Ultraschall, elektrische Sicherheit.

Themen

Lernziele

Wie sich die 40 Aufgaben des Naturwissenschaftsteils auf die Fächer verteilen, haben die Testveranstalter nicht veröffentlicht. Wir nennen deshalb keine Aufgabenzahl je Fach.

Beispielfragen

Eigene Fragen aus dem Fragenbestand des Trainers, keine Originalaufgaben des TMSnat.

Frage 1 Ein Stein fällt aus 20 m Höhe ohne Luftwiderstand. Mit welcher Geschwindigkeit trifft er auf? (g = 10 m/s²)

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Lösung und Erklärung

Richtig ist:B) 20 m/s

A) Falsch. √(g · h) ohne den Faktor 2 (F-ENE-02).
B) Richtig. v = √(2 · g · h) = √400 (F-ENE-02).
C) Falsch. Faktor 4 statt 2 unter der Wurzel: √(4 · g · h) (F-ENE-02).
D) Falsch. g · h ohne Wurzel (F-ENE-02).
E) Falsch. 2 · g · h ohne Wurzel (F-ENE-02).

Ohne Reibung wird die potenzielle Energie vollständig kinetisch: m · g · h = ½ · m · v². Die Masse kürzt sich, v = √(2 · g · h) = √(2 · 10 · 20) m/s = 20 m/s. (Quelle: OpenStax College Physics 2e, Abschnitt 7.6.)

Quelle: 7.6 Conservation of Energy

Frage 2 Ein systolischer Blutdruck beträgt 120 mmHg. Wie viel ist das ungefähr in Kilopascal? (1 mmHg ≈ 133 Pa)

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Lösung und Erklärung

Richtig ist:D) 16 kPa

A) Falsch. Durch 133 geteilt statt multipliziert (F-DRU-03).
B) Falsch. Eine Zehnerpotenz verloren (F-DRU-03).
C) Falsch. 1 mmHg = 100 Pa angenommen (F-DRU-03).
D) Richtig. 120 · 133 Pa ≈ 16 000 Pa (F-DRU-03).
E) Falsch. 1 mmHg = 1 kPa angenommen (F-DRU-03).

120 mmHg · 133 Pa/mmHg ≈ 16 000 Pa = 16 kPa. Der Blutdruck ist ein Überdruck gegenüber dem Luftdruck (rund 100 kPa). (Quelle: OpenStax College Physics 2e, Abschnitt 11.6.)

Quelle: 11.6 Gauge Pressure, Absolute Pressure, and Pressure Measurement; Systolic Pressure

Themen und Lernziele

Hinter jedem Lernziel steht die Stufe: Mittelstufe, Grundkurs oder Leistungskurs der Oberstufe, oder über den Schulstoff hinaus.

Größen und Einheiten

SI-Basis und abgeleitete Einheiten, Präfixe, Winkelmaße

SI-Basiseinheiten (m, kg, s, A, K, mol) und gebräuchliche abgeleitete Einheiten (N, J, W, Pa, V, Ω) zuordnen und umrechnen Mittelstufe
SI-Präfixe von Piko bis Giga und Zehnerpotenzen Mittelstufe
Grad und Radiant umrechnen Mittelstufe

Mechanik

Bewegung, Impuls, Rotation, Drehmoment, Kraft, Arbeit, Energie, Druck, Dichte, Hebel, Feder, Flaschenzug

Gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegung; s-t- und v-t-Diagramme Mittelstufe
Kraft, Gewichtskraft (g ≈ 9,81 m/s²), Grundgleichung F = m·a, Wechselwirkungsprinzip Mittelstufe
Arbeit, Leistung, potenzielle und kinetische Energie, Energieerhaltung Mittelstufe
Impuls und Impulserhaltung Mittelstufe
Einfache Maschinen (Hebel, Flaschenzug) und Goldene Regel der Mechanik qualitativ Mittelstufe
Drehmoment und Hebelgesetz quantitativ (M = F·r, Gleichgewicht am Hebel) über den Schulstoff hinaus
Kreisbewegung: Winkelgeschwindigkeit, Umlaufdauer, Bahngeschwindigkeit Mittelstufe
Feder und Hookesches Gesetz (F = D·s) Mittelstufe
Druck, Dichte, hydrostatischer Druck, Auftrieb; Umrechnung mmHg in Pa Mittelstufe

Wärme

Temperatur, Wärmekapazität, Hauptsätze, allgemeine Gasgleichung

Temperaturskalen Celsius und Kelvin Mittelstufe
Wärmemenge und spezifische Wärmekapazität (Q = c·m·ΔT) Mittelstufe
Hauptsätze der Wärmelehre in Grundzügen (Energieerhaltung, Richtung von Prozessen) Oberstufe, Grundkurs
Allgemeine Gasgleichung p·V = n·R·T über den Schulstoff hinaus

Wellen und Optik

Brechung, Reflexion, Linsen, Schwingungen, Interferenz, Akustik, Dezibel

Reflexion, Brechung und Totalreflexion Mittelstufe
Strahlengang an Sammel- und Zerstreuungslinsen; Linsengleichung 1/f = 1/g + 1/b; Brechkraft in Dioptrien Mittelstufe
Harmonische Schwingungen und Wellen: Frequenz, Periodendauer, Wellenlänge, c = λ·f; Longitudinal- und Transversalwelle Oberstufe, Grundkurs
Interferenz am Doppelspalt; stehende Wellen Oberstufe, Grundkurs
Schallpegel in dB: L = 10·lg(I/I0) bzw. L = 20·lg(p/p0); doppelte Intensität ≈ +3 dB, doppelter Schalldruck ≈ +6 dB, zehnfache Intensität +10 dB; Dämpfung als Pegelabnahme über den Schulstoff hinaus

Elektrizität

Ladung, Feld, Kapazität, Coulomb, Ohm, Schaltungen, Leistung, Wechselstrom

Stromstärke, Spannung, Widerstand, Ohmsches Gesetz (bei konstanter Temperatur) Mittelstufe
Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen Mittelstufe
Elektrische Leistung und Energie (P = U·I, kWh) Mittelstufe
Ladung, elektrisches Feld und Feldstärke; Kondensator, Kapazität und gespeicherte Energie Oberstufe, Grundkurs
Coulombsches Gesetz Oberstufe, Leistungskurs
Wechselstrom: Amplitude, Frequenz (50 Hz), Effektivwert bei sinusförmiger Spannung U_eff = U_max/√2 über den Schulstoff hinaus