LI: Detlef Kaack

Fortbildung Physik

Zentralabitur 2017 Fach Physik

Prüfungsthema

Teilchen im elektromagnetischen Feld Elemente und Aspekte des Unterrichts in der Sek.II

Detlef Kaack, LiF13

LI: Detlef Kaack

Fortbildung Physik

Zentralabitur 2017, Fach Physik Prüfungsthema: Teilchen im elektromagnetischen Feld

Wichtiger Hinweis: Die hier angegebenen Inhalte, Formeln und Schwerpunkte sind

und bleiben unverbindlich. Sie sollen Ihnen bei der Planung Ihres Unterrichts Anregungen

geben und helfen, bestimmte Aspekte im Blick zu haben. Letztendlich führen Sie Ihren Unterricht so durch, dass die Kompetenzen zu den Themen des A-Hefts ausreichen, um Prüfungsaufgaben in diesen Bereichen erfolgreich zu lösen.

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (erhöhter Anforderungsbereich gelb)

!  den Influenzbegriff erläutern und anwenden, !  das coulombsche Gesetz erläutern und anwenden, !  das elektrische Feld eines Plattenkondensators beschreiben, !  das Magnetfeld eines Stabmagneten und eines Hufeisenmagneten sowie eines

stromdurchflossenen Leiters bzw. einer Spule beschreiben, !  den Begriff der magnetischen Flussdichte erläutern, !  die Voraussetzungen für das Auftreten von Lorentz‐Kräften benennen, !  die Drei‐Finger‐Regel erläutern und anwenden, !  die Lorentz‐Kraft für einfache Szenarien berechnen, !  den Hall‐Effekt erklären und Hall‐Spannungen bestimmen, !  das elektrische und das magnetische Feld vergleichen, !  nicht‐relativistische Bewegung von Teilchen in elektrischen und magnetischen

Feldern beschreiben und Bahnkurven für homogene Felder berechnen, auch wenn Teilchen nicht senkrecht zu den Feldlinien in die Felder eintreten.

LI: Detlef Kaack

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (erhöhter Anforderungsbereich) !  den Influenzbegriff erläutern und anwenden, !  weiter...

Hierzu gehört der Begriff des elektrischen Felds, allgemein das Konzept „Feld“, das sich auch im Gravitationsfeld und im Magnetfeld wiederfindet.

Influenz: Ladungsverschiebung auf el. Leitern. Hierzu gehört auch die Erde. Polarisation: Dipolbildung in Nichtleitern.

Versuche: Trennen zweier im el. Feld getrennten Elektroskope mit Kugeln. weiter...

LI: Detlef Kaack

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (erhöhter Anforderungsbereich) !  das coulombsche Gesetz erläutern und anwenden, !  weiter...

Eine Messung ist möglich, jedoch nicht erforderlich. Hierbei kann die Proportionalität F zu 1/r2 gezeigt werden. weiter...

LI: Detlef Kaack

�

F =1

4πε0⋅q1 ⋅q2r 2

�

el.Feldkonst. ε0 = 8,85419 ⋅10−12 C 2

N ⋅m2

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (beide Anforderungsbereiche) !  das elektrische Feld eines Plattenkondensators beschreiben, !  weiter...

Komplizierte Rand- und Außenbereiche müssen nicht rechnerisch beschrieben werden können.

LI: Detlef Kaack

�

E =1

4πε0⋅q1r 2

�

Flächenladungsdichte σ =qA

�

E =Ud

=q1

A ⋅ε0

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (beide Anforderungsbereiche) !  das Magnetfeld eines Stabmagneten und eines Hufeisenmagneten sowie

eines stromdurchflossenen Leiters bzw. einer Spule beschreiben, !  weiter...

Stoff aus dem Sachkundeunterricht und Sek. I wird wiederholt: !  Streuen von Feldlinienbildern, !  Definition der Feldlinie, !  „Konzept“ Feld / Feldlinie, !  Begriff „Magnetpol“ und dessen Sinnlosigkeit bei Leitern und Spulen !  Überlagerung von Feldern / Feldlinien, Addition !  Messreihen der Flussdichte bei unterschiedlichen Abständen !  Homogenes Magnetfeld eines Hufeisenmagneten, eines Helmholtzspulenpaars

und im Inneren einer langgestreckten Spule kennen LI: Detlef Kaack

�

B = µ0 ⋅I

2π ⋅ r

�

B = µ0 ⋅I ⋅nl

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (erhöhter Anforderungsbereich) !  den Begriff der magnetischen Flussdichte erläutern, !  weiter...

!  B (auch Kraftflussdichte, magnetische Feldstärke), gemessen durch eine „Stromwaage“ der Länge s:

!  für eine lange Spule:

!  Berechnete Flussdichten kann man heute gut mit B-Sonden nachmessen.

LI: Detlef Kaack

�

B =FI ⋅ s

�

in 1 NA ⋅m

= 1T

�

B = µ0 ⋅nl⋅ I

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (beide Anforderungsbereiche) !  die Voraussetzungen für das Auftreten von Lorentz‐Kräften benennen, !  weiter...

!  Bewegung von elektrischen Ladungen im Magnetfeld !  Änderung des Magnetfelds im Bereich einer elektrischen Ladung !  Differenzierung von geladenen Teilchen (Elektronen, Ionen) und formalen

Ladungen („Löcher“ in Halbleitern, positive Ladungen durch Elektronenmangel in Metallen)

!  Relevanz der Richtungen, Bewegung (v) senkrecht zum Magnetfeld (B), !  Andere Richtungen durch Vektorzerlegung (Winkelfunktionen) beschreiben und

berechnen

LI: Detlef Kaack

�

B•

=dBdt

�

v =dsdt

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft

Die Schülerinnen und Schüler können... (beide Anforderungsbereiche) !  die Drei‐Finger‐Regel erläutern und anwenden,

!  U Ursache Daumen v I !  V Vermittlung Zeigefinger B B !  W Wirkung Mittelfinger FL FL

Achtung: Stromrichtung und Elektronenflussrichtung sauber differenzieren. Die drei Finger sind eine Repräsentation des Vektorprodukts (Kreuzprodukts) Die Rechte-Hand-Regel (ein anderer Ausdruck) kann durch die Linke-Hand-Regel

ergänzt werden, wenn man den Daumen für die Elektronenbewegungsrichtung nehmen möchte.

Für die Bestimmung der Feldrichtung um einen geraden Leiter ist noch die Rechte-Faust-Regel erforderlich, wieder für die Elektronenbewegungsrichtung dann auch die Linke-Faust-Regel möglich. Man benötigt dies auch zur Feldbestimmung einer Spule.

Nur als „Kür“ möglicherweise das Kreuzprodukt vektoriell mt Matrix (Mathematik-Kurs?)

LI: Detlef Kaack

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (erhöhter Anforderungsbereich gelb) !  die Lorentz‐Kraft für einfache Szenarien berechnen, !  weiter...

Folgende Formel ist „nice to know“, aber sicher kein notwendiger Bestandteil des Unterrichts:

LI: Detlef Kaack

�

FL = e ⋅v ⋅B ⋅sinα

�

FL→

= e ⋅ v→×B→

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (erhöhter Anforderungsbereich) !  den Hall‐Effekt erklären und Hall‐Spannungen bestimmen, !  weiter...

Die Definition im Metzler (Metzler/Schroedel) ist nicht unproblematisch. Im Dorn-Bader (Schroedel) ist sie besser verständlich dargestellt.

Problem: Hier stößt man leicht auf die Themen Halbleiter und Valenzband, muss sich dann also mit Elektronenmodellen in Metallen und Halbleitern befassen.

Es ist ein Bereich, bei dem man Ladungen in beiden Feldern gleichzeitig betrachtet und wo auch Winkel eine Rolle spielen können.

Anwendungen sind elektronische Messgeräte mit B-Sonden.

LI: Detlef Kaack, Quelle: Auszüge aus Wikipedia

�

UH = B ⋅v ⋅h mit v⊥B

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (beide Anforderungsbereiche) !  das elektrische und das magnetische Feld vergleichen, !  weiter...

Mögliche Aspekte: !  Das Feldkonzept als Eigenschaft des Raumes, auf Objekte Kräfte auszuüben:

Kraft auf Probeladung bzw. Kraft auf Magnetnadel !  Das Konzept der Feldlinien vergleichen:

Weg einer freien Probeladung bzw. Weg einer Magnetnadel, die entlang ihrer jeweiligen Richtung bewegt wird

!  Quellen, Senken, Wirbel... !  Homogene Felder beider Typen und ihre Erzeugung !  Wirkungen auf elektrische Ladungen !  Abstandsgesetze !  ...

LI: Detlef Kaack, Quelle: Auszüge aus Wikipedia

Teilchen im elektromagnetischen Feld (A-Heft)

Die Schülerinnen und Schüler können... (Anforderungsbereiche differenziert) !  nicht‐relativistische Bewegung von Teilchen in elektrischen und

magnetischen Feldern beschreiben und Bahnkurven für homogene Felder berechnen, auch wenn Teilchen nicht senkrecht zu den Feldlinien in die Felder eintreten.

!  weiter...

Dieses ist der detaillierteste Punkt, der die meisten Experimente erfordert und für den die meisten Kompetenzen erwartet werden müssen.

Themen: !  Ungestörte Überlagerung von Bewegungen / Parallelen zum waagerechten und

schrägen Wurf, Bewegung in zwei und drei Dimensionen !  Parabelgleichung / Mathematik !  Vektoraddition !  Kreisbewegung / Umlaufbahn (hier Parallele zum Thema Gravitation)

LI: Detlef Kaack, Quelle: Auszüge aus Wikipedia

Material, wird noch erweitert 1.  2 Elektroskope, Stäbe, Felle und Tücher 2.  Bandgenerator mit Zubehör 3.  Fadenstrahlrohr mit Helmholtzspulenpaare nebst Versorgungsgeräte, 2

Supermagnete 4.  großer Plattenkondensator mit statischem Voltmeter und

Hochspannungsnetzgerät 25kV 5.  Overheadprojektormodelle elektrisches Feld mit Bärlappsamen o.ä. 6.  Overheadprojektormodelle Magnetfelder: Spule, Magnetnadelplatte mit Loch 7.  Magnetfeldmodell 3D für Stabmagnet (Eisenspäne in Öl), Stabmagnet 8.  Leiterschaukel aufgebaut, Hufeisenmagnet, Messverstärker Strom mit

Anzeigegerät 9.  Hallsonde(n) mit Messgerät(en) 10.  Elektronenstrahlablenkröhre in Halterung mit Betriebsgeräten 11.  Gerät zum waagerechten Wurf? 12.  B-Sonden elektronischer Messwerterfassungssysteme

LI: Detlef Kaack

Experimente 1 Mögliche Stationen, wird noch überarbeitet 1.  Elektrisches Feld: Leitender Tennisball im Plattenkondensator (Unikurs WiSe

Versuch 6 Teil 5) 2.  Influenz: Ladungstrennung im homogenen Feld eines Plattenkondensators 3.  Influenz: Nichtleitender Tennisball im Plattenkondensator (U>1kV) 4.  Ladung im elektrischen Feld: Röhre 5.  Influenz am Elektroskop 6.  Das elektrische Feld im feuchten Papier (analog Unikurs SoSe Versuch 10 Teil 2,

nur mit zusätzlicher Messelektrode und Voltmeter) 7.  Vermessung des Felds mit der Flammensonde

Sensor: Glasrohr mit Drahtwolle und Platindraht, an Gas angeschlossen, statisches Voltmeter, Hochspannung an Kondensatorplatten oder Kugelelektroden im Raum.

8.  Fadenstrahlrohr: Kreisbahn, Spiralbahn, magnetische Flasche (siehe auch Metzler „Kräfte im magnetischen Feld“.

9.  Elektronenablenkröhre: Überlagerung von Bewegungen, Parabelbahn, Kreisbahn 10. Hallsonde

LI: Detlef Kaack

Experimente 2 Mögliche Stationen, wird noch überarbeitet 1.  Magnetische Flüssigkeit

https://www.youtube.com/watch?v=vsQh1AT6qUE

2.  Ferrofluid https://www.youtube.com/watch?v=kL8R8SfuXp8

LI: Detlef Kaack

Links 1.  Diverse Versuche zum el. Feld, Leifi Physik:

http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/ladungen-felder-oberstufe/lb

2.  Leitende Papiere www.physik-shop.de

3. 

LI: Detlef Kaack

Flammensonde

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Quelle: Wikipedia

Programmierung der Teilchenbahnen !  Netlogo, (mit Java 6 auf Win, MaxOSX, Unix)

(Ein Beispielprogramm ist in Arbeit.) https://ccl.northwestern.edu/netlogo/

!  Python, Programmiersprache (Win & MacOSX & Unix), Downloadquellen, Anleitungen und Sonderdateien unter: (Ein Beispielprogramm ist in Arbeit.)

www.schul-physik.de/python.html

!  Weitere Programmierumgebungen siehe: www.schul-physik.de/Software.html#sprachen

!  Es ist ab 9/2015 eine Handreichung der BSB in Arbeit. Kontakt: detlef.kaack@li-hamburg.de

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Zentralabitur 2017 Fach Physik

Allgemeines

Elemente und Aspekte des Unterrichts in der Sek.II

Detlef Kaack, LiF13

APO-AH 2012: Grundlage !  Die schriftliche Prüfung kann nach Maßgabe des § 25

Absätze 2 und 3 durch eine mündliche Prüfung ergänzt werden.

!  Der Prüfling wählt seine Prüfungsfächer einschließlich des profilgebenden Fachs, an dem sich die Prüfung im Profilbereich orientiert, zu Beginn des dritten Semesters.

LI: Detlef Kaack

APO-AH 2012: Grundlage Link: www.schul-physik.de/downloads/abi/APO-AH_2012.pdf !  Die für das Fach zuständige Lehrkraft begutachtet die

Arbeiten unter Beachtung zentraler Bewertungsvorgaben und unter Kennzeichnung ihrer Vorzüge und Mängel, der richtigen Lösungen und der Fehler und bewertet jede Arbeit mit einer Punktzahl. Entwürfe können ergänzend zur Bewertung herangezogen werden.

!  Jede Arbeit wird sodann von der zweiten Fachlehrkraft durchgesehen, die sich entweder der Bewertung durch die für das Fach zuständige Lehrkraft anschließt oder ein ergänzendes Gutachten mit Bewertung anfertigt.

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APO-AH 2012: Grundlage !  (4) Die oder der Vorsitzende des Prüfungsausschusses legt

die endgültige Punktzahl fest. Beträgt die Differenz der im Erstgutachten und im ergänzenden Gutachten erteilten Punktzahlen nicht mehr als drei Punkte, bildet sie oder er den Mittelwert beider Punktzahlen.

!  Liegt der Mittelwert zwischen zwei Punktzahlen, rundet sie oder er zur nächsten vollen Punktzahl auf.

!  In begründeten Fällen kann ein Drittgutachten veranlasst werden.

LI: Detlef Kaack

APO-AH 2012: Grundlage !  Beträgt die Differenz der im Erstgutachten und im

ergänzenden Gutachten erteilten Punktzahlen mehr als drei Punkte, wird ein Drittgutachten veranlasst.

!  Die zuständige Behörde bestimmt die Person der Drittgutachterin oder des Drittgutachters, dies kann auch die Vorsitzende oder der Vorsitzende des Prüfungsausschusses sein.

!  Die endgültigen Punktzahlen werden den Prüflingen zu einem von der zuständigen Behörde bestimmten Termin mitgeteilt.

LI: Detlef Kaack

ARL 2012: Richtlinie Link: www.hamburg.de/contentblob/3600330/data/ar-physik.pdf Anlage 29 zur Richtlinie für die Aufgabenstellung und Bewertung der Leistungen in der Abiturprüfung Physik

!  ...zwei voneinander unabhängigen gleichgewichtigen Aufgaben, die sich auf mindestens zwei der in 4.3 genannten Sachgebiete beziehen und sich nicht auf die Inhalte nur eines Kurshalbjahres beschränken. Die Aufgabenstellungen sind so gestaltet, dass sie eine vielschichtige Auseinandersetzung mit komplexen Problemen zulassen.

LI: Detlef Kaack

ARL 2012: Richtlinie !  Das Amt für Bildung legt der Lehrkraft drei Aufgaben zu den

in 4.3. genannten Themen vor. !  Der Prüfling erhält alle drei Aufgaben und wählt zwei zur

Bearbeitung aus. !  Die Bearbeitungszeit beträgt für die Prüfung auf

grundlegendem Niveau 240 Minuten, für die Prüfung auf erhöhtem Niveau 300 Minuten. Zur Durchführung von Schülerexperimenten kann die Prüfungszeit um maximal 60 Minuten erweitert werden.

!  Eine Lese- und Auswahlzeit von 30 Minuten ist der Arbeitszeit vorgeschaltet. In dieser Zeit darf noch nicht mit der Bearbeitung begonnen werden.

LI: Detlef Kaack

!  Zugelassene Formelsammlung: Das große Tafelwerk interaktiv. Allgemeine Ausgabe. Mit CD ROM Hrsg: Hubert König, Rüdiger Erbrecht, Cornelsen 2003 ISBN 3-464-57144-0 oder ISBN 978-3-464-57144-6

!  Es wird kein extra Formelbeiblatt geben. !  Die Arbeitszeiten bleiben für Physik unverändert:

240 min gA 300 min eA

!  Lese- und Auswahlzeit 30 min !  Schriftliche Prüfung Physik

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B-Heft: Aufgabenbeispiele Link: www.schul-physik.de/downloads/abi/B_Heft.pdf

Aufgabenbeispiele mit Erwartungshorizont zur zentralen schriftlichen Abiturprüfung

...für grundlegendes und erhöhtes Niveau

LI: Detlef Kaack

Mündliche Prüfung !  Die mündliche Abiturprüfung muss sich auf alle vier im

Rahmenplan Physik beschriebenen Kompetenzbereiche erstrecken. Dabei soll der Schwerpunkt auf den Kompetenzbereichen Kommunikation und Bewertung liegen.

!  Die Aufgabenstellung in der mündlichen Abiturprüfung bezieht sich auf mindestens zwei der in 4.2 aufgeführten Sachgebiete.

!  Insgesamt darf sie sich nicht auf die Inhalte nur eines Halbjahres beschränken.

LI: Detlef Kaack

Mündliche Prüfung !  Die mündliche Prüfung dauert je Fach etwa 30 Minuten. !  Die Aufgabenstellung der mündlichen Prüfung wird den

Prüflingen schriftlich vorgelegt. !  Ihnen soll etwa 30 Minuten Zeit zur Vorbereitung gegeben

werden. !  Die Prüflinge entscheiden zu Beginn des dritten Semesters,

ob sie die mündliche Prüfung im vierten Prüfungsfach als Präsentationsprüfung ablegen wollen; ist das profilgebende Fach viertes Prüfungsfach, wird die Prüfung immer als Präsentationsprüfung durchgeführt.

LI: Detlef Kaack

Präsentationsprüfung !  Die Aufgabe wird jetzt 2 Wochen vorher vergeben. !  Die Ausarbeitung wird 1 Woche vorher abgegeben. !  In diesem Fall halten die Prüflinge einen 15 Minuten langen

medienunterstützten Vortrag (Präsentation), dem ein ebenfalls 15 Minuten langes Fachgespräch mit dem Prüfungsausschuss folgt.

!  Der jeweilige Prüfungsausschuss führt die Prüfung durch. Die Prüflinge werden in der Regel einzeln geprüft. Die oder der Vorsitzende des Prüfungsausschusses leitet die Prüfung.

!  Das Prüfungsgespräch soll vorwiegend die zuständige Fachlehrkraft führen.

LI: Detlef Kaack

Präsentationsprüfung FAQ 1 !  Kann oder muss die „Dokumentation“ mit in die Bewertung einfließen?

5.2. Abiturrichtlinie: Die Dokumentation ist Teil der Prüfungsleistung – siehe auch 6.3

!  Wenn ja, gibt es dazu eine verbindliche prozentuale Gewichtung? Nein

!  Gibt es eine verbindliche Konsequenz, wenn Schüler die Präsentation nicht zum gestgesetzen Zeipunkt abgeben? § 26 (3) APO-AH sinngemäß: Die Abgabe der Dokumentation ist eine Woche vor der Präsentationsprüfung. Die Frist kann nicht verlängert werden.

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Präsentationsprüfung FAQ 2 Antwort Es ist wichtig, dass es vor dem Hintergrund der fachlichen Anforderungen eine Gesamtnote für die mündliche Prüfung gibt. Dabei sollte kein (prozentuales) Verrechnungsmodell der drei Elemente Dokumentation, Präsentation und Fachgespräch angestrebt werden, denn es sind immer Einzelfälle denkbar, die jedes statische Modell konterkarieren (z. B. hat ein Schüler im Fachgespräch einen "Black-Out" oder aber es zeigt sich im Fachgespräch, dass er keine Ahnung von dem hat, was er in der Präsentation gesagt bzw. vorgelesen hatte). Insofern ist eine starre Gewichtung der drei Elemente gefährlich, stattdessen ist eher eine fachliche Gewichtung (ggf. der Anforderungsbereiche) vorzunehmen - unabhängig davon, in welchem Element der Prüfung sie der Prüfling gezeigt hat. Die einzige "Sperrklausel" setzt die Abiturrichtlinie in diesem Zusammenhang: Wird die Dokumentation nicht rechtzeitig abgegeben, kann die Prüfung nicht besser als "mangelhaft" bewertet werden.

LI: Detlef Kaack

Präsentationsprüfung FAQ 3 !  Können oder müssen den Schülern die Bewertungskriterien für die PP

vorher dargelegt werden? Den Prüflingen sollten die Kriterien aus dem vorangegangenen Unterricht bekannt sein, da sie eine Präsentationsleistung vorgelegt haben.

!  Können oder müssen die Bewertungskriterien für die PP vorab in prozentualer Gewichtung festgelegt werden? Nein

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Der Unterricht in der Sek. II !  In Physik soll 50% der Unterrichtszeit auf die Themen des A-

Hefts verwendet werden. !  Vorschlag (unverbindlich und diskutabel):

" 1. Semester Einstieg, Profilthema und die relevanten Physikthemen, die nicht im A-Heft stehen

" 2. Semester Themen des A-Hefts " 3. Semester Themen des A-Hefts " 4. Semester Profilthema und die relevanten Physikthemen, die nicht

im A-Heft stehen

!  Rolle des Seminars: Diskussion

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Programmierung der Bahnen

!  Netlogo, (mit Java 6 auf Win, MaxOSX, Unix) (Ein Beispielprogramm ist in Arbeit.) https://ccl.northwestern.edu/netlogo/

!  Python, Programmiersprache (Win & MacOSX & Unix), Downloadquellen, Anleitungen und Sonderdateien unter: (Ein Beispielprogramm ist in Arbeit.)

www.schul-physik.de/python.html

!  Weitere Programmierumgebungen siehe: www.schul-physik.de/Software.html#sprachen

LI: Detlef Kaack

Unterstützende Dokumente

!  Hamburger Rahmenpläne www.hamburg.de/bildungsplaene

!  Materialien wie EPA, APO-AH, Rahmenpläne (neu und älter), A-Heft auch unter www.schul-physik.de/Downloads.html

!  Diverse Dateien zum Thema: www.schul-physik.de/Downloads.html

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