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Gymnasium im Gustav-Heinemann-Schulzentrum Städtisches Gymnasium für Mädchen und Jungen

Schulinterner Lehrplan für die gymnasiale Oberstufe des Gymnasiums im GHZ

Physik (Beschluss der Fachkonferenz)

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Inhalt

Seite

1 Die Fachschaft Physik im Gymnasium im GHZ 3

2 Entscheidungen zum Unterricht 4

2.1 Unterrichtsvorhaben 4

2.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben 6

2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben 13

2.1.2.1 Einführungsphase 13

2.1.2.2 Qualifikationsphase: Grundkurs 29

2.1.2.3 Qualifikationsphase: Leistungskurs 42

2.2 Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe 70

2.3 Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung 72

2.4 Lehr- und Lernmittel 76

3 Entscheidungen zu fach – und unterrichtsübergreifenden Fragen 77

4 Qualitätssicherung und Evaluation 78

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1 Die Fachschaft Physik im Gymnasium im GHZ

Die Fachschaft Physik ist Bestandteil der MINT - Gruppe des Gymnasi-ums und arbeitet auf Grund dessen eng mit den anderen Fächern des MINT - Bereichs zusammen – insbesondere mit den Fächern Chemie und Biologie. Hier herrschen unter anderem Methodenabsprachen und Ab-sprachen im Experimentalbereich. Seit mehreren Jahren ist die Schule als MINT-freundliche Schule ausgezeichnet.

Das Gymnasium im GHZ befindet sich in Dinslaken-Hiesfeld, einem gut-bürgerlichem Einzugsgebiet. In der Regel werden in der Einführungsphase 2 Kurse und in der Qualifikationsphase ein Grund- und ein Leistungskurs angeboten. Eine Kooperation mit anderen Schulen findet aufgrund der Schullage nicht statt.

Die Fachgruppe besteht derzeit aus 4 Kolleginnen bzw. Kollegen. Sie kann auf eine fundierte Ausbildung aus der Sekundarstufe 1 aufbauen, in welcher das Fach Physik durchgehend in der Mittelstufe unterrichtet wird. Dabei wird schon in der Mittelstufe sehr viel Wert auf Schülerexperimente in Partnerarbeit gelegt. Auch für die Oberstufe stehen den Schülerinnen und Schülern unter anderem dank der großzügigen Unterstützung des Fördervereins zahlreiche Experimente zur Verfügung.

4

2 Entscheidungen zum Unterricht

2.1 Unterrichtsvorhaben

Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im schulinternen Lehrplan besitzt den Anspruch, sämtliche im Kernlehrplan angeführten Kompetenzen. Dies entspricht der Verpflichtung jeder Lehrkraft, Lerngelegenheiten für ihre Lerngruppe so anzulegen, dass alle Kompetenzerwartungen des Kern-lehrplans von den Schülerinnen und Schülern erworben werden können.

Die entsprechende Umsetzung erfolgt auf zwei Ebenen: der Übersichts- und der Konkretisierungsebene.

Im „Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben“ (Kapitel 2.1.1) wird die für alle Lehrerinnen und Lehrer gemäß Fachkonferenzbeschluss verbindliche Ver-teilung der Unterrichtsvorhaben dargestellt. Das Übersichtsraster dient dazu, den Kolleginnen und Kollegen einen schnellen Überblick über die Zuordnung der Unterrichtsvorhaben zu den einzelnen Jahrgangsstufen sowie den im Kernlehrplan genannten Kompetenzen, Inhaltsfeldern und inhaltlichen Schwerpunkten sowie in der Fachkonferenz verabredeten verbindlichen Kontexten zu verschaffen. Um Klarheit für die Lehrkräfte herzustellen und die Übersichtlichkeit zu gewährleisten, werden in der Ka-tegorie „Kompetenzen“ an dieser Stelle nur die übergeordneten Kompe-tenzerwartungen ausgewiesen, während die konkretisierten Kompetenz-erwartungen erst auf der Ebene konkretisierter Unterrichtsvorhaben Be-rücksichtigung finden. Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als gro-be Orientierungsgröße, die nach Bedarf über- oder unterschritten werden kann. Um Spielraum für Vertiefungen, besondere Schülerinteressen, aktu-elle Themen bzw. die Erfordernisse anderer besonderer Ereignisse (z.B. Praktika, Kursfahrten o.ä.) zu erhalten, wurden im Rahmen dieses schulin-ternen Lehrplans ca. 75 Prozent der Bruttounterrichtszeit verplant.

Während der Fachkonferenzbeschluss zum „Übersichtsraster Unterrichts-vorhaben“ zur Gewährleistung vergleichbarer Standards sowie zur Absi-cherung von Lerngruppenübertritten und Lehrkraftwechseln für alle Mit-glieder der Fachkonferenz Bindekraft entfalten soll, besitzt die exemplari-sche Ausweisung „konkretisierter Unterrichtsvorhaben“ (Kapitel 2.1.2) empfehlenden Charakter, es sei denn, die Verbindlichkeit bestimmter As-pekte ist dort explizit formuliert Auch hier besitzen Zeitangaben und Anga-ben in den Zeilen Experimente/Medien und Kommentare empfehlenden Charakter, einzelne verbindliche Aspekte sind hier in Fettdruck markiert. Referendarinnen und Referendaren sowie neuen Kolleginnen und Kolle-gen dienen diese vor allem zur standardbezogenen Orientierung in der neuen Schule, aber auch zur Verdeutlichung von unterrichtsbezogenen

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fachgruppeninternen Absprachen zu didaktisch-methodischen Zugängen, fächerübergreifenden Kooperationen, Lernmitteln und -orten sowie vorge-sehenen Leistungsüberprüfungen, die im Einzelnen auch den Kapiteln 2.2 bis 2.4 zu entnehmen sind. Abweichungen von den empfohlenen Vorge-hensweisen bezüglich der konkretisierten Unterrichtsvorhaben sind im Rahmen der pädagogischen Freiheit der Lehrkräfte jederzeit möglich. Si-cherzustellen bleibt allerdings auch hier, dass im Rahmen der Umsetzung der Unterrichtsvorhaben insgesamt alle Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Berücksichtigung finden.

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2.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben

Unterrichtsvorhaben der Einführungsphase

Inhaltsfeld Zeitbedarf

Bewegungen und Kräfte 40 Stunden

Energie und Impuls 17 Stunden

Gravitation 12 Stunden

Mechanische Schwingungen und Wellen 26 Stunden

Summe Einführungsphase: 95 Stunden

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Qualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS

Inhaltsfeld Quantenobjekte

Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte

Erforschung des Photons Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben und erklärt werden? Zeitbedarf: 14 Ustd.

Photon (Wellenaspekt) E2 E5 K3

Erforschung des Elektrons Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemes-sen werden? Zeitbedarf: 15 Ustd.

Elektron (Teilchenaspekt) UF1 UF3 E5 E6

Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Kann das Verhalten von Elektronen und Photo-nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben werden? Zeitbedarf: 5 Ustd.

Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Welleaspekt) Quantenobjekte und ihre Eigenschaften

E6 E7 K4 B4

Inhaltsfeld Elektrodynamik


Energieversorgung und Transport mit Generato-ren und Transformatoren

Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden? Zeitbedarf: 18 Ustd.

Spannung und elektrische Energie Induktion Spannungswandlung

UF2 UF4 E2 E5 E6 K3 B1

Wirbelströme im Alltag

Wie kann man Wirbelströme technisch nutzen? Zeitbedarf: 4 Ustd.

Induktion UF4 E5 B1

Summe Qualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS: 56 von 90 Stunden

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Qualifikationsphase (Q2) – GRUNDKURS

Inhaltsfeld Strahlung und Materie


Erforschung des Mikro- und Makrokosmos Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der Materie? Zeitbedarf: 13 Ustd.

Energiequantelung der Atomhülle Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

UF1 Wiedergabe E5 Auswertung E2 Wahrnehmung und Messung

Mensch und Strahlung Wie wirkt Strahlung auf den Menschen? Zeitbedarf: 9 Ustd.

Kernumwandlungen Ionisierende Strahlung Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

UF1 Wiedergabe B3 Werte und Normen B4 Möglichkeiten und Grenzen

Forschung am CERN und DESY

Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Zeitbedarf: 6 Ustd.

Standardmodell der Elementarteilchen UF3 Systematisierung E6 Modelle

Inhaltsfeld Relativität von Raum und Zeit


Navigationssysteme Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Zeitbedarf: 5 Ustd.

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Zeitdilatation

UF1 Wiedergabe E6 Modelle

Teilchenbeschleuniger Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Zeitbedarf: 6 Ustd.

Veränderlichkeit der Masse Energie-Masse Äquivalenz

UF4 Vernetzung B1 Kriterien

Das heutige Weltbild Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur Erklärung unserer Welt? Zeitbedarf: 2 Ustd.

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Zeitdilatation Veränderlichkeit der Masse Energie-Masse Äquivalenz

E7 Arbeits- und Denkweisen K3 Präsentation

Summe Qualifikationsphase (Q2) – GRUNDKURS: 41 von 60 Stunden

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Qualifikationsphase (Q1) – LEISTUNGSKURS

Inhaltsfeld Relativitätstheorie


Satellitennavigation – Zeitmessung ist nicht ab-solut Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Zeitbedarf: 4 Ustd.

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Problem der Gleichzeitigkeit

UF2 Auswahl E6 Modelle

Höhenstrahlung

Warum erreichen Myonen aus der oberen Atmo-sphäre die Erdoberfläche? Zeitbedarf: 4 Ustd.

Zeitdilatation und Längenkontraktion E5 Auswertung K3 Präsentation

Teilchenbeschleuniger - Warum Teilchen aus dem Takt geraten Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Zeitbedarf: 8 Ustd.

Relativistische Massenzunahme Energie-Masse-Beziehung

UF4 Vernetzung B1 Kriterien

Satellitennavigation – Zeitmessung unter dem Einfluss von Geschwindigkeit und Gravitation Beeinflusst Gravitation den Ablauf der Zeit? Zeitbedarf: 4 Ustd.

Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung K3 Präsentation

Das heutige Weltbild Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur Erklärung unserer Welt? Zeitbedarf: 4 Ustd.

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Problem der Gleichzeitigkeit Zeitdilatation und Längenkontraktion Relativistische Massenzunahme Energie-Masse-Beziehung Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung

B4 Möglichkeiten und Grenzen

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Inhaltsfeld Elektrik


Untersuchung von Elektronen Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemes-sen werden? Zeitbedarf: 24 Ustd.

Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern

UF1 UF2 E6 K3 B1 B4

Aufbau und Funktionsweise wichtiger Versuchs- und Messapparaturen Wie und warum werden physikalische Größen meistens elektrisch erfasst und wie werden sie verarbeitet? Zeitbedarf: 22 Ustd.

Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern

UF2 UF4 E1 E5 E6 K3 B1 B4

Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektri-scher Energie

Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden? Zeitbedarf: 22 Ustd.

Elektromagnetische Induktion UF2 E6 B4

Physikalische Grundlagen der drahtlosen Nach-richtenübermittlung Wie können Nachrichten ohne Materietransport übermittelt werden? Zeitbedarf: 28 Ustd.

Elektromagnetische Schwingungen und Wellen UF1 UF2 E4 E5 E6 K3 B1 B4

Summe Qualifikationsphase (Q1) – LEISTUNGSKURS: 120 von 150 Stunden

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Qualifikationsphase (Q2) – LEISTUNGSKURS

Inhaltsfeld Quantenphysik


Erforschung des Photons Besteht Licht doch aus Teilchen? Zeitbedarf: 10 Ustd.

Licht und Elektronen als Quantenobjekte Welle-Teilchen-Dualismus Quantenphysik und klassische Physik

UF2 Auswahl E6 Modelle E7 Arbeits- und Denkweisen

Röntgenstrahlung, Erforschung des Photons Was ist Röntgenstrahlung? Zeitbedarf: 9 Ustd.

Licht und Elektronen als Quantenobjekte UF1 Wiedergabe E6 Modelle

Erforschung des Elektrons Kann das Verhalten von Elektronen und Photo-nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben werden? Zeitbedarf: 6 Ustd.

Welle-Teilchen-Dualismus UF1 Wiedergabe K3 Präsentation

Die Welt kleinster Dimensionen – Mikroobjekte und Quantentheorie Was ist anders im Mikrokosmos? Zeitbedarf: 10 Ustd.

Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlich-keitsinterpretation Quantenphysik und klassische Physik

UF1 Wiedergabe E7 Arbeits- und Denkweisen

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Inhaltsfeld Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik


Geschichte der Atommodelle, Lichtquellen und ihr Licht Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der Materie? Zeitbedarf: 10 Ustd.

Atomaubau UF1 Wiedergabe E5 Auswertung E7 Arbeits- und Denkweisen

Physik in der Medizin (Bildgebende Verfahren, Radiologie) Wie nutzt man Strahlung in der Medizin? Zeitbedarf: 14 Ustd.

Ionisierende Strahlung Radioaktiver Zerfall

UF3 Systematisierung E6 Modelle UF4 Vernetzung

(Erdgeschichtliche) Altersbestimmungen Wie funktioniert die 14C-Methode? Zeitbedarf: 10 Ustd.

Radioaktiver Zerfall UF2 Auswahl E5 Auswertung

Energiegewinnung durch nukleare Prozesse Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? Zeitbedarf: 9 Ustd.

Kernspaltung und Kernfusion Ionisierende Strahlung

B1 Kriterien UF4 Vernetzung

Forschung am CERN und DESY – Elementarteil-chen und ihre fundamentalen Wechselwirkungen Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Zeitbedarf: 11 Ustd.

Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen UF3 Systematisierung K2 Recherche

Summe Qualifikationsphase (Q2) – LEISTUNGSKURS: 89 von 100 Stunden

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2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben

2.1.2.1 Einführungsphase

Inhaltsfeld: Bewegungen und Kräfte

Zeit Inhalte / Experi-mente

Kontexte Fachwissen Erkenntnisgewin-nung

Kommunikation Bewertung

2 Einführung allgemein

Einführungsexeriment:

Kugelbahn

Fahrzeuge Sport

UF 1, UF4

E 1, E2, E 7

K 1, K 4

B 1

BEWEGUNGEN VON KÖRPERN

4 Beschreibung von Bewe-gungen

Experiment:

Bewegungsaufnahme mittels eines GPS Emp-fängers

Basiskonzept: Wechselwirkung

Registrierung einer Bewegung mithilfe von GPS

Geo-Caching

SuS erläutern die Größen Position, Strecke, und Ge-schwindigkeit (UF2, UF4)

SuS entscheiden begrün-det, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen (E1, E4)

SuS erschließen und über-prüfen mit Messdaten und Diagrammen funktionale Beziehungen zwischen ki-nematischen Größen (E5)

SuS stellen Daten in Tabel-len und sinnvoll skalierten Diagrammen (u. a. t-s- und t-v-Diagramme, Vektordia-gramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen an-gemessen präzise dar (K1, K3)

Methode: Zeit-Geschwindigkeit-Diagramme

3 Geradlinige Bewegungen mit konstanter Geschwin-digkeit

Experimente:

Bewegung auf Trans-portbändern am Flug-hafen

Schilift

SuS beschreiben den Vor-gang und können Beispiele für gleichförmige Bewegun-gen benennen. (UF1)

SuS erschließen und über-prüfen mit Messdaten und Diagrammen funktionale Beziehungen zwischen me-chanischen Größen (E5)

SuS stellen Daten in Tabel-len und sinnvoll skalierten Diagrammen (u. a. t-s- und t-v-Diagramme, Vektordia-gramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen an-

SuS geben Kriterien an, um die Zuverlässigkeit von Messergebnissen zu beur-teilen, und nutzen diese bei der Bewertung von eigenen und fremden Untersuchun-

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Bestimmung von Ge-schwindigkeiten an der Rollenfahrbahn mittels 1. Stoppuhr und 2. Licht-schranken

(Schülerexperimente)


SuS planen Experimente zur quantitativen und quali-tativen Untersuchung einfa-cher Zusammenhänge (u. a. zur Analyse von Be-wegungen), führen sie durch und werten sie aus (E2, E5)

gemessen präzise dar (K1, K3)

gen (B1)

3 Geradlinige Bewegungen mit konstanter Beschleu-nigung

Experiment an der Luft-kissenfahrbahn:

Aufnahme einer be-schleunigten Bewegung

(Demonstrationsexperi-ment)


Anfahr- und Brems-situationen

SuS unterscheiden gleich-förmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen und erklären zugrundelie-gende Ursachen (UF2)

SuS entscheiden begrün-det, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen sind (E1, E4)



SuS begründen argumenta-tiv Sachaussagen, Behaup-tungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgän-gen und ziehen dabei erar-beitetes Wissen sowie Messergebnisse oder ande-re objektive Daten heran (K4)

SuS geben Kriterien an, um die Zuverlässigkeit von Messergebnissen zu beur-teilen, und nutzen diese bei der Bewertung von eigenen und fremden Untersuchun-gen (B1)

1 Methode: Messwerterfassung und -auswertung durch Tabel-lenkalkulation

SuS bestimmen mechani-sche Größen mit mathema-tischen Verfahren und mit-hilfe digitaler Werkzeuge (u. a. Tabellenkalkulation, GTR) (E6)

SuS erschließen und über-prüfen mit Messdaten und Diagrammen funktionale Be-ziehungen zwischen mecha-nischen Größen (E5)


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2 Bewegungen im Straßen-verkehr


Sicherheitsabstand im Straßenverkehr

Section Contro

l

SuS erläutern die Größen Position, Strecke, Ge-schwindigkeit, Beschleuni-gung an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4)

SuS unterscheiden gleich-förmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen (UF2)

SuS können zwischen Durchschnittsgeschwindig-keit und Momentangeschwindigkeit unterscheiden. (UF1, UF3)

SuS analysieren in ver-schiedenen Kontexten Be-wegungen qualitativ und quantitativ (E1, UF1)

SuS erschließen und über-prüfen mit Diagrammen funktionale Beziehungen zwischen mechanischen Größen (E5)


SuS bewerten begründet die Darstellung bekannter mechanischer und anderer physikalischer Phänomene in verschiedenen Medien (Printmedien, Filme, Inter-net) bezüglich ihrer Rele-vanz und Richtigkeit (K2, K4)

3 Fallbewegungen

Experimente:

Freier Fall im Schülerex-periment

Freier Fall als Beispiel für eine beschleunigte Bewegung

SuS analysieren in ver-schiedenen Kontexten Be-wegungen qualitativ und quantitativ aus einer Wech-selwirkungsperspektive (E1, UF1)


SuS reflektieren Regeln des Experimentierens in der Planung und Auswertung von Versuchen (u.a. Ziel-orientierung, Sicherheit, Va-riablenkontrolle, Kontrolle von Störungen und Fehler-quellen) (E2, E4)



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KRÄFTE UND BEWEGUNGSÄNDERUNGEN

2 Trägheit und Masse

Experimente:

Bremsen auf der Rol-lenfahrbahn

„Tischtuchexperiment“

Abreißfaden / Kugel-kette


Sicherheitseinrich-tungen im KFZ

SuS erläutern die Größen Beschleunigung und Masse und ihre Beziehungen zu-einander an unterschiedli-chen Beispielen (UF2, UF4)

SuS vertiefen ihre Kennt-nisse zum Trägheitsprinzip und zur gleichförmigen Kreisbewegung (UF1)


SuS wenden das Gelernte auf Alltagssituationen an (E1)

SuS stellen physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt darund begründen sie mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumen-ten(K3, K4)

3 Die Grundgleichung der Mechanik

Experiment:

Schülerexperiment auf der Rollenfahrbahn


Sport

(Kugelstoßen, Start-vorgänge)

SuS erläutern die Größen Beschleunigung, Masse und Kraft und ihre Bezie-hungen zueinander an un-terschiedlichen Beispielen (UF2, UF4)

SuS planen Experimente zur quantitativen und quali-tativen Untersuchung einfa-cher Zusammenhänge (u. a. zur Analyse von Be-wegungen), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1)

SuS berechnen mithilfe des Newton’schen Kraftgeset-zes Wirkungen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6)

3 ZUSAMMENSETZUNG UND ZERLEGUNG VON KRÄFTEN

Vektoren in der Physik


Ausführen von Hun-den

Einkauswagen auf einer Rampe (schiefe Ebene)

SuS erläutern die Größen Geschwindigkeit, Be-schleunigung, Masse und Kraft und ihre Beziehungen zueinander an unterschied-lichen Beispielen (UF2, UF4)

SuS vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichge-wichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1)

SuS berechnen mithilfe des Newton’schen Kraftgeset-zes Wirkungen einzelner

SuS begründen argumenta-tiv Sachaussagen, Behaup-tungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgän-gen und ziehen dabei erar-beitetes Wissen heran (K4)

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oder mehrerer Kräfte auf Bewegungszustände (E6)

SuS entscheiden begrün-det, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen sind (E1, E4)

Methode: Zerlegung und Addition vektorieller Größen

SuS vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichge-wichtszustände durch Komponentenzerlegung (E1)

3 Wurfbewegungen


Sport

Dart

Handball

SuS erläutern die Größen Position, Strecke, Ge-schwindigkeit, Beschleuni-gung an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4)

SuS analysieren in ver-schiedenen Kontexten Be-wegungen qualitativ und quantitativ (E1, UF1)

SuS vereinfachen komplexe Bewegungszustände durch Vektoraddition (E1)

Experimente mit der Fe-derkanone

SuS beschreiben und erläu-tern die physikalischen Phänomene und Zusam-menhänge unter Verwen-dung von übergeordneten Gesetzen und Basiskonzep-ten (UF1)

SuS identifizieren und ana-lysieren ein physikalisches Problem in einem anderen Kontext; sie generieren Hy-pothesen mit Bezug auf Ge-setzmäßigkeiten; sieplanen selbst Experimente (Video-aufnahme von Würfen mit verschiedenen Bällen); sie werten das physikalische Problem mit einem Video-analyse-Programm aus (E1, E3, E4, E5)

SuS dokumentieren ihre Ergebnisse mithilfe digitaler Werkzeuge (Videoanalyse-programm) und werten die-se aus (quadratische Reg-ressionsrechnung); sie re-cherchieren weitere Infor-mationen über Würfe bei verschiedenen Sportarten; sie stellen physikalische Sachverhalte, Ergebnisse und Erkenntnisse formal, sprachlich und fachlich kor-rekt dar(K1, K2, K3)

SuS geben in einem physi-kalisch-technischen Zu-sammenhang Bewertungs-kriterien an; sie wägen kriteriengeleitet Argumente ab und beziehen einen be-gründeten Standpunkt; bei Auseinandersetzungen zu dieser physikalisch-technischen Fragestellung zeigen sie mögliche Konflikt-lösungen auf (B1, B2, B3)

1 Das 2. Newton’sche Axi-om

Experiment:

Tauziehen auf Skate-

Tauziehen SuS erläutern die Größen Geschwindigkeit, Be-schleunigung, Masse und Kraft und ihre Beziehungen zueinander an unterschied-lichen Beispielen (UF2,

SuS berechnen mithilfe des Newton’schen Kraftgeset-zes Wirkungen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie unter dem Aspekt

SuS begründen argumenta-tiv Sachaussagen, Behaup-tungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeite-tes Wissen sowie Messer-

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boards


UF4) der Kausalität vorher (E6) gebnisse oder andere objek-tive Daten heran (K4)

1 Haftkräfte und Reibungs-kräfte

Experiment:

Reibungsklotz


Gehen und Laufen Antrieb mit Rädern (Winterreifen und Sommerreifen)

SuS entscheiden begrün-det, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen sind (E1, E4)



Experiment: Mit Reibung Schiffe fest-machen

Knoten SuS erläutern und skizzie-ren die physikalischen Phä-nomene und Zusammen-hänge unter Verwendung von übergeordneten Geset-zen und Basiskonzepten (UF1)

SuS identifizieren und ana-lysieren ein physikalisches Problem in einem anderen Kontext; sie generieren Hy-pothesen mit Bezug auf Ge-setzmäßigkeiten; sie planen zur Überprüfung ihrer Hypo-thesen Experimente mit komplexem Versuchsplan und Versuchsaufbau; sie führen die Experimente durch und werten sie aus; sie bewerten die Güte des Modells (E1, E2, E3, E4, E5, E6)

SuS dokumentieren ihre Versuchsanordnung sowie die Ergebnisse ihrer Expe-rimente; sie stellen physika-lische Sachverhalte und Er-kenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fach-lich korrekt darund begrün-den sie mit sachlich fundier-ten und überzeugenden Ar-gumenten (K1, K3, K4)

3 Die gleichförmige Kreis-bewegung

Experimente:

Kreisscheibe

Fahrgeschäfte auf der Kirmes

SuS unterscheiden gleich-förmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen und erklären zugrundelie-gende Ursachen (UF2)

SuS analysieren Bewe-gungen qualitativ und quan-titativ (E1, UF1)

SuS vereinfachen komplexe Bewegungszustände durch Vektoraddition (E1)

SuS erschließen und über-

SuS begründen argumenta-tiv Sachaussagen, Behaup-tungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgän-gen und ziehen dabei erar-beitetes Wissen sowie Messergebnisse oder ande-re objektive Daten heran

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prüfen mit Messdaten und Diagrammen funktionale Beziehungen zwischen me-chanischen Größen (E5)

SuS analysieren und be-rechnen auftretende Kräfte bei Kreisbewegungen (E6)

(K4)

6 Die Zentralkraft

Experimente:

Aufhebung der Zent-ralkraft durch Trennen eines Fadens

Zentralkraftgerät

„Fliehkraftregler“

Erdabplattung (Modell)

Hammerwurf

Zentrifuge (Labor und Pilotentraining)

SuS erschließen mit Dia-grammen funktionale Be-ziehungen zwischen me-chanischen Größen (E5)

SuS analysieren und be-rechnen auftretende Kräfte bei Kreisbewegungen (E6)

Fallbeispiele:

Wenn die Zentripetalkraft plötzlich wegfällt

Kurvenfahren mit dem Auto

SuS vertiefen ihre Kenntnis-se zum Trägheitsprinzip und zur gleichförmigen Kreisbe-wegung (UF1)

SuS wenden das Gelernte auf Alltagssituationen an (E1)

SuS stellen physikalische Sachverhalte und Erkennt-nisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt darund be-gründen sie mit sachlich fundierten und überzeugen-den Argumenten(K3, K4)

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Inhaltsfeld: Energie und Impuls

Zeit Inhalte Kontexte Fachwissen Erkenntnisgewin-nung


ENERGIE UND ENERGIEERHALTUNG

4 Mechanische Energie-formen

Experiment:

Loopingfahrbahn

Fahrradbremse (Tem-peraturerhöhung)

Basiskonzept: Energie

Achterbahn „Knautschzone“ Bremsstrecke Glühende Bremsscheibe

SuS unterscheiden verschiedene mechanische Energieformen und können die Umwandlung der Energieformen ineinander beschreiben; sie erläutern die Größen Kraft, Arbeit und Energie und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF1, UF2, UF4)

SuS analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1),

SuS vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichgewichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1)

SuS stellen physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse formal, sprachlich und fachlich korrekt dar (K3)

Fallbeispiel:

Gezeitenkraftwerk (Ener-gie aus dem Meer)

SuS vertiefen ihr Fachwis-sen aus Kapitel 2; sie wäh-len begründet die zur Lö-sung des Problems benötig-ten funktionalen Beziehun-gen zwischen den physikali-schen Größen; sie erschlie-ßen Zusammenhänge zwi-schen unterschiedlichen technischen Vorgängen auf der Grundlage eines ver-netzten physikalischen Wis-sens; sie strukturieren phy-sikalische Sachverhalte nach fachlichen Kriterien (UF1, UF2, UF3, UF4)

SuS identifizieren und ana-lysieren physikalische Prob-leme in anderen Kontexten (E1)

SuS recherchieren selbst-ständig weitere Informatio-nen und Erklärungen zu den verschiedenen Kraftwerks-typen und strukturieren die gewonnenen Erkenntnisse; sie präsentieren physikali-sche Sachverhalte und Er-kenntnisse formal, sprach-lich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten; sie begründen physikalische Aussagen mit sachlich fundierten Argu-menten (K1, K2, K3, K4)

SuS geben in einem physi-kalisch-technische Zusam-menhang Bewertungskrite-rien an; sie wägen kriteriengeleitet über die Physik hinausgehende Ar-gumente ab und beziehen einen begründeten Stand-punkt; bei Auseinanderset-zungen zu dieser physika-lisch-technischen Fra-gestellung zeigen sie mögli-che Konfliktlösungen auf (B1, B2, B3)

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8 Erhaltung der Energie

Experiment:

„Morgensternversuch“

Basiskonzept: Energie

Bungee-Springen

SuS beschreiben und erläutern die Energieerhaltung unter Verwendung von übergeordneten Gesetzen und Basiskonzepten; sie wählen funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen aus; sie erschließen Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens (UF1, UF2, UF4)

SuS analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1)

SuS identifizieren und analysieren physikalische Probleme in unterschied-lichen Kontexten; sie werten Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge aus (E1, E5)

SuS verwenden Erhaltungssätze (Energiebilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6)

SuS entscheiden begründet, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen sind (E1, E4)

SuS planen eigenständig Experimente zurquantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (Energieerhaltung), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1)

SuS begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnisse oder andere objektive Daten heran (K4)

SuS geben für Bewertungen in physikalisch-technischen Zusammenhängen Bewertungskriterien an; sie wägen für Bewertungen kriteriengeleitet Argumente abund beziehen einen begründeten Standpunkt (B1, B2)

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IMPULS UND IMPULSERHALTUNG

2 Der Impuls

Experiment:

NEWTONs Cradle


Billiard SuS erläutern die Größen Beschleunigung, Masse, Kraft, Impuls und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen: sie erläutern den Zusammenhang zwischen den Newton‘schen Axiomen und dem Impuls (UF2, UF4)

SuS beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wechselwirkungen und Impulsänderungen (UF1)

SuS analysieren Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1)

SuS verwenden Erhaltungssätze (Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6)

SuS planen eigenständig Experimente zurquantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (Impulserhaltung), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1)

SuS dokumentieren Experimente nach gegebenen Strukturen (K1)


3 Der Impulserhaltungssatz

Experimente:

Luftkissenfahrbahn

Luftkissentisch (mit Vi-deoauswertung)

Basiskonzepte: Wechselwirkung Energie

Verkehrsunfälle

Billiard

SuS beschreiben anhand von Experimenten den elastischen und unelastischen Stoß längs einer Geraden sowieStöße in der Ebene; sie wählen begründet die funktionalen Beziehungen zwischen den physikalischen Größen (UF1, UF2)

SuS verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), um Stoßprozesse zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6)

SuS vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichgewichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1)

SuS erschließen und

SuS recherchieren selbstständig weitere physikalisch-technische Informationen zum Skispringen im Internet; sie stellen physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse ad-ressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt dar (K2, K3)dokumentieren Experimente nach gegebenen Strukturen (K1)

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überprüfen mit Wertetabellen funktionale Beziehungen zwischen mechanischen Größen (E5)


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Inhaltsfeld: Gravitation



NEWTONS GRAVITATIONSGESETZ

4 Das Gravitationsgesetz


Herabfallender Apfel System Erde–Mond

SuS beschreiben Gravitati-onskräfte als Wechselwir-kungskräfte (UF2, E6)

SuS ermitteln mithilfe der Kepler´schen Gesetze und des Gravitationsgesetzes astronomische Größen (E6)

Fallbeispiel:

Die Gezeiten

Ebbe und Flut SuS beschreiben physikali-sche Phänomene und Zu-sammenhänge und erläu-tern sie unter Verwendung von übergeordneten Geset-zen (UF1)

SuS stellen physikalische Sachverhalte, Arbeitser-gebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fach-lich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten dar (K3)

Fallbeispiel:: Gravitation: Abschätzung der Mondmasse

SuS berechnen mithilfe des Gravitationsgesetzes astro-nomische Größen; sie ver-tiefen und vernetzen ihre Kenntnisse (UF1, UF4)

BEWEGUNGEN IM GRAVITATIONSFELD

3 Die Gravitationsfeldstärke


Gravitationsfeld auf der Erde

SuS beschreiben Wechsel-wirkungen im Gravitations-feld und verdeutlichen den Unterschied zwischen Feld-konzept und Kraftkonzept (UF2, E6)

SuS vernetzen zur Lösung der Aufgabe Fachwissen aus den Kapiteln 2 und 3; sie wählen begründet die zur Lösung des Problems benötigten funktionalen Be-ziehungen zwischen den

SuS identifizieren und ana-lysieren ein physikalisches Problem in einem anderen Kontext; sie generieren Hy-pothesen mit Bezug auf Ge-setzmäßigkeiten; sie verall-gemeinern mathematische Gesetzmäßigkeiten (E1, E3, E5)

Physikalische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumen-ten begründen bzw. kritisie-ren (K4) (Aufgaben 1 und 3)

SuS berechnen die ver-schiedenen Fluchtge-schwindigkeiten und re-cherchieren selbstständig in Fachbüchern und/oder im Internet weitere Informatio-nen dazu; sie stellen physi-

Für Bewertungen in physi-kalisch-technischen Zu-sammenhängen kriteriengeleitet Argumente abwägen und einen be-gründeten Standpunkt be-ziehen (B2) (Aufgabe 3)

25

physikalischen Größen (UF1, UF2, UF4)

kalische Sachverhalte und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fach-lich korrekt dar (K2, K3)

2 Energie im Gravitations-feld Basiskonzept: Energie

Aufstieg einer Rakete SuS verwenden den Ener-gieerhaltungssatz, um Be-wegungen von Satelliten im Gravitationsfeld der Erde zu beschreiben bzw. zu be-rechnen (E3, E6)

WELTBILDER

3 Von der Antike zu KEPLER und NEWTON

Basiskonzept: Struktur der Materie

Geozentrisches / heliozentrisches Weltbild

SuS stellen historische Änderungen in den Vorstel-lungen zur Mechanik beim Übergang vom Mittelalter zur Neuzeit dar (UF3, E7)

SuS beschreiben an Bei-spielen Veränderungen im Weltbild und in der Arbeits-weise der Naturwissen-schaften, die durch die Ar-beiten von Kopernikus, Kepler, Galilei und Newton initiiert wurden (E7, B3)

SuS vergleichen historisch verschiedene Auffassungen von den Naturwissenschaf-ten und ihre Auswirkungen auf das jeweilige Weltbild

SuS erläutern Kernaussa-gen zu naturwissenschaftli-chen Positionen zu Beginn der Neuzeit (K2, K4)

26

Inhaltsfeld: Mechanische Schwingungen und Wellen



MECHANISCHE SCHWINGUNGEN

3 Schwingungsvorgänge und Schwingungsgrößen

Experimente:

(Schreib-) Stimmgabel

Sekundenpendel


Schaukel

Pendeluhr

Metronom

SuS beschreiben Schwin-gungen als Störungen ei-nes Gleichge-wichts;sieidentifizieren die dabei auftretenden Kräfte (UF1, UF4)

SuS wählen zielführend Definitionen, Konzepte so-wie funktionale Beziehun-gen zwischen Größen zur Lösung physikalischer Probleme aus (UF2)

SuS planen selbstständig Experimente zur quantitati-ven und qualitativen Unter-suchung einfacher Zu-sammenhänge

4 Die harmonische Schwingung

Schülerexperiment:

Federpendel

Experiment / Simulation:

Projektion der Kreisbe-wegung


Federpendel und Projektion der Kreis-bewegung

SuS geben die Zusammen-hänge der Größen an, die eine Schwingung und die eine Kreisbewegung be-schreiben (UF1)

SuS vereinfachen komplexe Bewegungszustände durch Komponentenzerlegung (E1)

SuS können Zusammen-hänge zwischen den Grö-ßen unterschiedlicher Be-wegungen mathematisch formulieren (E5)

SuS können physikalische Sachverhalte und Erkennt-nisse sprachlich und fach-lich korrekt darstellen (K3)

4 Federpendel und Faden-pendel

Schülerexperiment:

Fadenpendel


Federschwinger Nichtharmonische Schwingungen

SuS setzen ihre Erfahrun-gen und Kenntnisse aus der Mechanik (Kapitel 1) zur Beschreibung der Eigen-schaften einer Schwingung ein (UF3)

SuS können die Zusam-menhänge der Bedingun-gen einer Schwingung mit den die Schwingung be-schreibenden Größen ma-thematisch formulieren (E5)

27

4 Energieabgabe und Ener-gieaufnahme bei Schwin-gungen


Stoßdämpfer SuS erläutern das Auftreten von Resonanz mit Hilfe von Wechselwirkung und Ener-gie erläutert (UF1)

SuS analysieren in ver-schiede-nen Kontexten Be-wegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungs-perspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1)

SuS begründen argumenta-tiv Sachaussagen, Behaup-tungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeite-tes Wissen sowie Mess-ergebnisse oder andere ob-jektive Daten heran (K4)

Fallbeispiele: Resonanzphänomene in der Technik und im Alltag

Einstürzender Kirch-turm

SuS vertiefen ihr Fachwis-sen aus Kapitel 2; sie ord-nen und strukturieren physi-kalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachli-chen Kriterien (UF1, UF3)

SuS identifizieren physikali-sche Zusammenhänge in unterschiedlichen Kontex-ten; sie generieren Hypo-thesen und überprüfen die-se durch eine Recherche im Internet (E1, E3)

SuS recherchieren im Inter-net weitere Informationen und Erklärungen im Zu-sammenhang mit dieser Aufgabe; sie stellen physi-kalische Sachverhalte und Erkenntnisse formal, sprachlich und fachlich kor-rekt dar; sie begründen phy-sikalische Aussagen mit sachlich fundierten Argu-menten (K2, K3, K4)

Film: Der Einsturz der Tacoma-Brücke

3 Überlagerung von Schwingungen

Experiment:

Lissajousfiguren

Schwebung mit Stimmgabeln


Gekoppelte Pendel Schwingung und Musik

SuS vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichge-wichtszustände durch Kom-ponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1)

SuS planen selbstständig Experimente zur quantitati-ven und qualitativen Unter-suchung einfacher Zusam-menhänge (u. a. zur Analy-se von Bewegungen), füh-ren sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnis-se und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1)

28

Methode: Zeigerdarstellung

SuS setzen ihre Kenntnisse über den Zusammenhang von Kreisbewegungen und Schwingungen ein (UF4)

MECHANISCHE WELLEN

8 Entstehung und Aus-breitung

Experimente:

Wasserwellenkanal

Torsionswellenma-schine

Kerzenschießen

Basiskonzept: Wechselwirkung Energie Struktur der Materie

Meereswellen

Schallwellen

SuS beschreiben Wellen als Störungen eines Gleichge-wichts; sie identifizieren die dabei auftretenden Kräfte (UF1, UF4)

SuS erklären die Ausbrei-tung von mechanischen Wellen (Transversal- und Longitudinalwellen) qualita-tiv mit den Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (E6)

29

2.1.2.2 Qualifikationsphase: Grundkurs

Inhaltsfeld: Quantenobjekte (GK) Kontext: Erforschung des Photons

Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler…

Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise

Beugung und Inter-ferenz Lichtwellen-länge, Lichtfre-quenz, Kreiswellen, ebene Wellen, Beugung, Brechung

(7 Ustd.)

veranschaulichen mithilfe der Wellenwanne qualitativ unter Verwendung von Fachbegriffen auf der Grundlage des Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen sowie die Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexion und Brechung (K3),

bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit Doppelspalt und Gitter (E5),

Doppelspalt und Gitter, Wellen-wanne

quantitative Experimente mit (La-ser-) Licht

Ausgangspunkt: Beugung von Licht

Modellbildung mit Hilfe der Wellenwanne (ggf. als Schülerpräsentation)

Bestimmung der Wellenlängen von Licht mit Gitter

Quantelung der Energie von Licht, Austrittsarbeit

(7 Ustd.)

demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoef-fekt den Quantencharakter von Licht und bestimmen den Zusammenhang von Energie, Wellenlänge und Frequenz von Photonen sowie die Austrittsarbeit der Elektronen (E5, E2),

Photoeffekt

Hallwachsversuch

Vakuumphotozelle

Roter Faden: Von Hallwachs bis Elektronen-beugung

Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquan-tums und der Austrittsarbeit

Hinweis: Formel für die max. kinetische Energie der Photoelektronen wird zunächst vorgegeben.

Der Zusammenhang zwischen Spannung, La-dung und Überführungsarbeit wird ebenfalls vorgegeben und nur plausibel gemacht. Er muss an dieser Stelle nicht grundlegend hergeleitet werden

14 Ustd. Summe

30

Kontext: Erforschung des Elektrons Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler…

Experiment / Medium Kommentar

Elementarladung

(5 Ustd.)

erläutern anhand einer vereinfachten Version des Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Er-gebnisse zur Bestimmung der Elementarladung (UF1, E5),

untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Com-putersimulationen zum Verhalten von Quantenobjek-ten (E6).

Millikanversuch

Schwebefeldmethode (keine Stokes´sche Reibung) als Simu-lation

Begriff des elektrischen Feldes in Analogie zum Gra-vitationsfeld besprechen, Definition der Feldstärke über die Kraft auf einen Probekörper, in diesem Fall die Ladung

Homogenes elektrisches Feld im Plattenkondensator, Zusammenhangs zwischen Feldstärke im Platten-kondensator, Spannung und Abstand der Kondensatorplatten vorgeben und durch Auseinan-derziehen der geladenen Platten demonstrieren

Elektronenmasse

(7 Ustd.)

beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homoge-ner elektrischer und magnetischer Felder und erläu-tern deren Definitionsgleichungen. (UF2, UF1),

bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungsträgers nach Durchlaufen einer elektrischen Spannung (UF2),

modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie der Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch, variieren Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolge-rungen her, die sich experimentell überprüfen lassen, und ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5),

e/m-Bestimmung mit dem Fa-denstrahlrohr und Helmholtzspulenpaar

auch Ablenkung des Strahls mit Permanentmagneten (Lorentzkraft)

evtl. Stromwaage (bei hinrei-chend zur Verfügung stehender Zeit)

Messung der Stärke von Magnet-feldern mit der Hallsonde

Einführung der 3-Finger-Regel und Angabe der Glei-chung für die Lorentzkraft:

Einführung des Begriffs des magnetischen Feldes (in Analogie zu den beiden anderen Feldern durch Kraft auf Probekörper, in diesem Fall bewegte Ladung oder stromdurchflossener Leiter) und des Zusammen-hangs zwischen magnetischer Kraft, Leiterlänge und Stromstärke.

Vertiefung des Zusammenhangs zwischen Span-nung, Ladung und Überführungsarbeit am Beispiel Elektronenkanone.

Streuung von Elektronen an Festkörpern, de Broglie-Wellenlänge

(3 Ustd.)

erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese, wenden diese zur Erklärung des Beugungsbildes beim Elektronenbeugungsexperiment an und be-stimmen die Wellenlänge der Elektronen (UF1, UF2, E4).

Experiment zur Elektronen-beugung an polykristallinem Graphit

Veranschaulichung der Bragg-Bedingung analog zur Gitterbeugung

15 Ustd. Summe

31

Kontext: Photonen und Elektronen als Quantenobjekte




Licht und Materie

(5 Ustd.)

erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektron und Photon die Bedeutung von Modellen als grundle-gende Erkenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7),

verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretation für Quantenobjekte unter Verwendung geeigneter Darstellungen (Graphiken, Simulationsprogramme) (K3).

zeigen an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbe-reiche von Wellen- und Teilchenmodellen für Licht und Elektronen auf (B4, K4),

beschreiben und diskutieren die Kontroverse um die Kopenhagener Deutung und den Welle-Teilchen-Dualismus (B4, K4).

Computersimulation

Doppelspalt

Photoeffekt

Reflexion der Bedeutung der Experimente für die Entwicklung der Quantenphysik

5 Ustd. Summe

32

Inhaltsfeld: Elektrodynamik (GK) Kontext: Energieversorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren

Inhalt

(Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Wandlung von me-chanischer in elekt-rische Energie:

Elektromagnetische Induktion

Induktionsspannung

(5 Ustd.)

erläutern am Beispiel der Leiterschaukel das Auftre-ten einer Induktionsspannung durch die Wirkung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger (UF1, E6),

definieren die Spannung als Verhältnis von Energie und Ladung und bestimmen damit Energien bei elektrischen Leitungsvorgängen (UF2),

bestimmen die relative Orientierung von Bewe-gungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeld-richtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe einer Drei-Finger-Regel (UF2, E6),

werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen aus (E2, E5).

bewegter Leiter im (homoge-nen) Magnetfeld - „Leiterschaukelversuch“

Messung von Spannungen mit diversen Spannungsmessgerä-ten (nicht nur an der Leiter-schaukel)

Gedankenexperimente zur Überführungsarbeit, die an ei-ner Ladung verrichtet wird.

Deduktive Herleitung der Be-ziehung zwischen U, v und B.

Definition der Spannung und Erläuterung anhand von Beispielen für Energieumwandlungsprozesse bei Ladungstransporten, Anwendungsbeispiele.

Das Entstehen einer Induktionsspannung bei beweg-tem Leiter im Magnetfeld wird mit Hilfe der Lorentzkraft erklärt, eine Beziehung zwischen Induk-tionsspannung, Leitergeschwindigkeit und Stärke des Magnetfeldes wird (deduktiv) hergeleitet.

Technisch praktikab-le Generatoren:

Erzeugung sinusför-miger Wechselspan-nungen

(4 Ustd.)

recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungen historische Vorstellungen und Experimente zu In-duktionserscheinungen (K2),

erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange-messen und verständlich (K3),

Internetquellen, Lehrbücher, Firmeninformationen, Filme und Applets zum Generatorprinzip

Experimente mit drehenden Leiterschleifen in (näherungs-weise homogenen) Magnetfel-dern, Wechselstromgeneratoren

Hier bietet es sich an, arbeitsteilige Präsentationen auch unter Einbezug von Realexperimenten anferti-gen zu lassen.

33

Inhalt

(Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



erläutern das Entstehen sinusförmiger Wechsel-spannungen in Generatoren (E2, E6),


führen Induktionserscheinungen an einer Leiter-schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),

Messung und Registrierung von Induktionsspannungen mit Os-zilloskop und digitalem Messwerterfassungssystem

(noch anzuschaffen)

Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und zeitlicher Veränderung der senkrecht vom Mag-netfeld durchsetzten Fläche wird „deduktiv“ erschlos-sen.

Nutzbarmachung elektrischer Energie durch „Transforma-tion“

Transformator

(5 Ustd.)

erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange-messen und verständlich (K3),

ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Span-nung und Stromstärke beim Transformator (UF1, UF2).

geben Parameter von Transformatoren zur geziel-ten Veränderung einer elektrischen Wechselspan-nung an (E4),


führen Induktionserscheinungen an einer Leiter-schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),

diverse „Netzteile“ von Elektro-Kleingeräten (mit klassischem Transformator)

Demo-Aufbautransformator mit geeigneten Messgeräten

ruhende Induktionsspule in wechselstromdurchflossener Feldspule - mit Messwerterfas-sungssystem zur zeitaufgelös-

ten Registrierung der Indukti-onsspannung und des zeitlichen Verlaufs der Stärke des magne-tischen Feldes

Der Transformator wird eingeführt und die Überset-zungsverhältnisse der Spannungen experimentell ermittelt. Dies kann auch durch einen Schülervortrag erfolgen (experimentell und medial gestützt).

Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und zeitlicher Veränderung der Stärke des magneti-schen Feldes wird experimentell im Lehrerversuch erschlossen.

Die registrierten Messdiagramme werden von den SuS eigenständig ausgewertet.

34

Inhalt

(Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Energieerhaltung

Ohm´sche „Verluste“

(4 Ustd.)

verwenden ein physikalisches Modellexperiment zu Freileitungen, um technologische Prinzipien der Bereitstellung und Weiterleitung von elektrischer Energie zu demonstrieren und zu erklären (K3),

bewerten die Notwendigkeit eines geeigneten Transformierens der Wechselspannung für die ef-fektive Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen (B1),

zeigen den Einfluss und die Anwendung physikali-scher Grundlagen in Lebenswelt und Technik am Beispiel der Bereitstellung und Weiterleitung elektri-scher Energie auf (UF4),

beurteilen Vor- und Nachteile verschiedener Mög-lichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen (B2, B1, B4).

Modellexperiment (z.B. mit Hilfe von Aufbautransformato-ren) zur Energieübertragung und zur Bestimmung der „Ohm’schen Verluste“ bei der Übertragung elektrischer Energie bei unter-schiedlich hohen Spannungen

Hier bietet sich ein arbeitsteiliges Gruppenpuzzle an, in dem Modellexperimente einbezogen werden.

18 Ustd. Summe

35

Kontext: Wirbelströme im Alltag

Inhalt

(Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Lenz´sche Regel

(4 Ustd.)

erläutern anhand des Thomson´schen Ringver-suchs die Lenz´sche Regel (E5, UF4),

bewerten bei technischen Prozessen das Auftreten erwünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme (B1),

Freihandexperiment: Untersu-chung der Relativbewegung eines aufgehängten Metallrings und eines starken Stabmagne-ten

Thomson’scher Ringversuch

diverse technische und spieleri-sche Anwendungen, z.B. Dämp-fungselement an einer Präzisi-onswaage, Wirbelstrombremse, „fallender Magnet“ im Alu-Rohr.

Ausgehend von den Ringversuchen wird die Lenz´sche Regel erarbeitet

Erarbeitung von Anwendungsbeispielen zur Lenz’schen Regel (z.B. Wirbelstrombremse bei Fahr-zeugen)

4 Ustd. Summe

Inhaltsfeld: Strahlung und Materie (GK)

Kontext: Erforschung des Mikro- und Makrokosmos Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Kern-Hülle-Modell

(2 Ustd.)

erläutern, vergleichen und beurteilen Modelle zur Struktur von Atomen und Materiebausteinen (E6, UF3, B4),

Literaturrecherche Ausgewählte Beispiele für Atommodelle

Energieniveaus der Atomhülle

(2 Ustd.)

erklären die Energie absorbierter und emittierter Photonen mit den unterschiedlichen Energieniveaus in der Atomhülle (UF1, E6),

Erzeugung von Linienspektren mithilfe von Gasentladungslam-pen

Deutung der Linienspektren

Quantenhafte Emis-sion und Absorption von Photonen

(3 Ustd.)

erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis-se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte-ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von Modellen der diskreten Energiezustände von Elekt-ronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),

Franck-Hertz-Versuch Es kann das Bohr’sche Atommodell angesprochen werden (ohne Rechnungen)

Röntgenstrahlung

(3 Ustd.)

erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis-se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte-ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von Modellen der diskreten Energiezustände von Elekt-ronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),

Aufnahme von Röntgenspek-tren (kann mit interaktiven Bild-schirmexperimenten (IBE) oder Lehrbuch geschehen, falls keine Schulröntgeneinrichtung vor-handen ist)

Im Zuge der „Elemente der Quantenphysik“ kann die Röntgenstrahlung bereits als Umkehrung des Photo-effekts bearbeitet werden

Mögliche Ergänzungen: Bremsspektrum mit h-Bestimmung / Bragg-Reflexion

Sternspektren und Fraunhoferlinien

(3 Ustd.)

interpretieren Spektraltafeln des Sonnenspektrums im Hinblick auf die in der Sonnen- und Erdatmo-sphäre vorhandenen Stoffe (K3, K1), erklären Sternspektren und Fraunhoferlinien (UF1, E5, K2), stellen dar, wie mit spektroskopischen Methoden Informationen über die Entstehung und den Aufbau des Weltalls gewonnen werden können (E2, K1),

Flammenfärbung

Darstellung des Sonnenspekt-rums mit seinen Fraunhoferlinien

Spektralanalyse

u. a. Durchstrahlung einer Na-Flamme mit Na- und Hg-Licht (Schattenbildung)

13 Ustd. Summe

37

Kontext: Mensch und Strahlung


Kompetenzen



Strahlungsarten

(2 Ustd.)

unterscheiden -, -, -Strahlung und Röntgenstrah-lung sowie Neutronen- und Schwerionenstrahlung (UF3),

erläutern den Nachweis unterschiedlicher Arten ioni-sierender Strahlung mithilfe von Absorptionsexperi-menten (E4, E5),

bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Er-kenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik (B1, B3),

Absorptionsexperimente zu

-, -, -Strahlung

Wiederholung und Vertiefung aus der Sek. I

Elementumwandlung

(1 Ustd.)

erläutern den Begriff Radioaktivität und beschreiben zugehörige Kernumwandlungsprozesse (UF1, K1), Nuklidkarte

Detektoren

(3 Ustd.)

erläutern den Aufbau und die Funktionsweise von Nachweisgeräten für ionisierende Strahlung (Geiger-Müller-Zählrohr) und bestimmen Halbwertszeiten und Zählraten (UF1, E2),

Geiger-Müller-Zählrohr

38


Kompetenzen



Biologische Wirkung ionisierender Strah-lung und Energieauf-nahme im menschli-chen Gewebe

Dosimetrie

(3 Ustd.)

beschreiben Wirkungen von ionisierender und elekt-romagnetischer Strahlung auf Materie und lebende Organismen (UF1),

bereiten Informationen über wesentliche biologisch-medizinische Anwendungen und Wirkungen von ioni-sierender Strahlung für unterschiedliche Adressaten auf (K2, K3, B3, B4),

begründen in einfachen Modellen wesentliche biolo-gisch-medizinische Wirkungen von ionisierender Strahlung mit deren typischen physikalischen Eigen-schaften (E6, UF4), erläutern das Vorkommen künstlicher und natürlicher Strahlung, ordnen deren Wirkung auf den Menschen mithilfe einfacher dosimetrischer Begriffe ein und bewerten Schutzmaßnahmen im Hinblick auf die Strahlenbelastungen des Menschen im Alltag (B1, K2).

bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung phy-sikalischer Prozesse, u. a. von ionisierender Strah-lung, auf der Basis medizinischer, gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Gegebenheiten (B3, B4)

bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung ioni-sierender Strahlung unter Abwägung unterschiedli-cher Kriterien (B3, B4),

ggf. Einsatz eines Films / eines Videos

Sinnvolle Beispiele sind die Nutzung von ionisie-render Strahlung zur Diagnose und zur Therapie bei Krankheiten des Menschen (von Lebewe-sen) sowie zur Kontrolle technische Anlagen.

Erläuterung von einfachen dosimetrischen Be-griffe: Aktivität, Energiedosis, Äquivalentdosis

9 Ustd. Summe

39

Kontext: Forschung am CERN und DESY Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Kernbausteine und Elementarteilchen

(4 Ustd.)

erläutern mithilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phä-nomene der Kernphysik (UF3, E6),

erklären an einfachen Beispielen Teilchenumwandlun-gen im Standardmodell (UF1).

recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen zu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Ele-mentarteilchenphysik (K2).

In diesem Bereich sind i. d. R. kei-ne Realexperimente für Schulen möglich.

Es z.B. kann auf Internetseiten des CERN und DESY zurückgegriffen werden.

Mögliche Schwerpunktsetzung:

Paarerzeugung, Paarvernichtung,

(Virtuelles) Photon als Austauschteil-chen der elektro-magnetischen Wech-selwirkung

Konzept der Aus-tauschteilchen vs. Feldkonzept

(2 Ustd.)

vergleichen in Grundprinzipien das Modell des Pho-tons als Austauschteilchen für die elektromagnetische Wechselwirkung exemplarisch für fundamentale Wechselwirkungen mit dem Modell des Feldes (E6).

Lehrbuch, Animationen Veranschaulichung der Austauschwechselwir-kung mithilfe geeigneter mechanischer Modelle, auch Problematik dieser Modelle thematisieren

6 Ustd. Summe

40

Inhaltsfeld: Relativität von Raum und Zeit (GK) Kontext: Navigationssysteme Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Relativität der Zeit

(5 Ustd.)

interpretieren das Michelson-Morley-Experiment als ein Indiz für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (UF4),

erklären anschaulich mit der Lichtuhr grundlegende Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie und ermit-teln quantitativ die Formel für die Zeitdilatation (E6, E7),

erläutern qualitativ den Myonenzerfalls in der Erdat-mosphäre als experimentellen Beleg für die von der Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdilatation (E5, UF1).

erläutern die relativistische Längenkontraktion über eine Plausibilitätsbetrachtung (K3),

begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergren-ze für Geschwindigkeiten von Objekten, dass eine additive Überlagerung von Geschwindigkeiten nur für „kleine“ Geschwindigkeiten gilt (UF2),

erläutern die Bedeutung der Konstanz der Lichtge-schwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie (UF1),

Experiment von Michelson und Morley (Computersimulation)

Lichtuhr (Gedankenexperiment /

Computersimulation)

Myonenzerfall

Ggf. Exaktheit der Positionsbestimmung mit Navigationssystemen als Ausgangsproblem

Begründung der Hypothese von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit mit dem Ausgang des Michelson-Morley-Experiments

Herleitung der Formel für die Zeitdilatation am Beispiel einer „bewegten Lichtuhr“.

Der Myonenzerfall in der Erdatmosphäre dient als experimentelle Bestätigung der Zeitdilatati-on. Betrachtet man das Bezugssystem der Myonen als ruhend, kann die Längenkontraktion der Atmosphäre plausibel gemacht werden.

Die Formel für die Längenkontraktion wird an-gegeben.

5 Ustd. Summe

41

Kontext: Teilchenbeschleuniger


Kompetenzen



„Schnelle“ Ladungs-träger in E- und B-Feldern

(2 Ustd.)

erläutern die Funktionsweise eines Zyklotrons und argumentieren zu den Grenzen einer Verwendung zur Beschleunigung von Ladungsträgern bei Berücksichti-gung relativistischer Effekte (K4, UF4),

Zyklotron (in einer Simulation mit

und ohne Massenveränderlichkeit) Der Einfluss der Massenzunahme wird in der Simulation durch das „Aus-dem-Takt-Geraten“ eines beschleunigten Teilchens im Zyklotron ohne Rechnung veranschaulicht.

Ruhemasse und dynamische Masse

(4 Ustd.)

erläutern die Energie-Masse Äquivalenz (UF1).

zeigen die Bedeutung der Beziehung E=mc2 für die

Kernspaltung und -fusion auf (B1, B3)

Video Die Formeln für die dynamische Masse und E=mc

2 werden als deduktiv herleitbar angege-

ben.

Erzeugung und Vernichtung von Teilchen,

Hier können Texte und Filme zu Hiroshima und Nagasaki eingesetzt werden.

6 Ustd. Summe

Kontext: Das heutige Weltbild


Kompetenzen



Gegenseitige Bedin-gung von Raum und Zeit

(2 Ustd.)

diskutieren die Bedeutung von Schlüsselexperimenten bei physikalischen Paradigmenwechseln an Beispielen aus der Relativitätstheorie (B4, E7),

beschreiben Konsequenzen der relativistischen Ein-flüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen (K3)

Lehrbuch, Video

2 Ustd. Summe

42

2.1.2.3 Qualifikationsphase: Leistungskurs

Inhaltsfeld: Relativitätstheorie (LK) Kontext: Satellitennavigation – Zeitmessung ist nicht absolut Inhalt (Ustd. à 45 min)



Konstanz der Licht-geschwindigkeit und Problem der Gleichzei-tigkeit

Inertialsysteme

Relativität der Gleich-zeitigkeit

(4 Ustd.)

begründen mit dem Ausgang des Michelson-Morley-Experiments die Konstanz der Lichtge-schwindigkeit (UF4, E5, E6),

erläutern das Problem der relativen Gleichzeitig-keit mit in zwei verschiedenen Inertialsystemen jeweils synchronisierten Uhren (UF2),

begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze für Geschwindigkeiten von Objekten Auswirkungen auf die additive Überlagerung von Geschwindigkeiten (UF2).

Experiment von Michelson und Morley (Computersimulation)

Relativität der Gleichzeitig-keit (Video / Film)

Ausgangsproblem: Exaktheit der Positionsbestimmung mit Navigationssystemen (z.B. über vorbereitenden Hausauf-gabe anhand von Internetinformationen zur Satellitennavi-gation)

Wegen der Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindig-keit für die (spezielle) Relativitätstheorie wird das Experi-ment von Michelson und Morley (in einer Com-putersimulation) im Unterricht behandelt.

Das Additionstheorem für relativistische Geschwindigkeiten braucht nicht hergeleitet zu werden (wie dies etwa anhand der Lorentz-Transformationsgleichungen möglich ist), son-dern kann ergänzend angegeben werden.

4 Ustd. Summe

43

Kontext: Höhenstrahlung Inhalt (Ustd. à 45 min)



Zeitdilatation und rela-tivistischer Faktor

(2 Ustd., zusätzlich Exkursion)

leiten mithilfe der Konstanz der Lichtgeschwin-digkeit und des Modells Lichtuhr quantitativ die Formel für die Zeitdilatation her (E5),

reflektieren die Nützlichkeit des Modells Lichtuhr hinsichtlich der Herleitung des relativistischen Faktors (E7).

erläutern die Bedeutung der Konstanz der Licht-geschwindigkeit als Ausgangspunkt für die Ent-wicklung der speziellen Relativitätstheorie (UF1)

Lichtuhr (Gedankenexperi-ment / Computersimulation)

Myonenzerfall (Experimente-pool der Universität - Ex-kursion)

Für die Herleitung der Zeitdilatation ist die „Lichtuhr“ ein sehr geeignetes Gedankenexperiment. Zudem wird hiermit

der relativistische Faktor hergeleitet.

Der Myonenzerfall in der Erdatmosphäre dient danach als eine experimentelle Bestätigung der Zeitdilatation.

Längenkontraktion

(2 Ustd.)

begründen den Ansatz zur Herleitung der Län-genkontraktion (E6),

erläutern die relativistischen Phänomene Zeitdi-latation und Längenkontraktion anhand des Nachweises von in der oberen Erdatmosphäre entstehenden Myonen (UF1),

beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschauli-cher und einfacher Abbildungen (K3),

Myonenzerfall (Experimente-pool der Universität – Exkur-sion) – s. o.

Der Myonenzerfall in der Erdatmosphäre dient danach als eine experimentelle Bestätigung der Längenkontraktion (im Vergleich zur Zeitdilatation) – s. o.

Im Anschluss an die Exkursion: Abschließender Schülervor-trag „Myonenzerfall und Längenkontraktion“

4 Ustd. Summe

44

Kontext: Teilchenbeschleuniger – Warum Teilchen aus dem Takt geraten




Ruhemasse und dy-namische Masse

(2 Ustd.)

erläutern die Energie-Masse-Beziehung (UF1)

berechnen die relativistische kinetische Energie von Teilchen mithilfe der Energie-Masse-Beziehung (UF2)

Die Formel für die dynamische Masse braucht nicht explizit hergeleitet zu werden.

„Schnelle“ Ladungs-träger in E- und B-Fel-dern

(4 Ustd.)

erläutern auf der Grundlage historischer Doku-mente ein Experiment (Bertozzi-Versuch) zum Nachweis der relativistischen Massenzunahme (K2, K3),

Bertozzi-Experiment (anhand von Literatur)

Z.B. das Bertozzi-Experiment soll mithilfe einer Schüler-präsentation behandelt werden (ggf. auch anhand einer Zentralabituraufgabe)

Simulation: Die Massenzunahme eines Teilchens im Zyklot-ron („Aus-dem-Takt-Geraten“)

Bindungsenergie im Atomkern

Annihilation

(2 Ustd.)

beschreiben die Bedeutung der Energie-Masse-Äquivalenz hinsichtlich der Annihilation von Teil-chen und Antiteilchen (UF4),

bestimmen und bewerten den bei der Annihilati-on von Teilchen und Antiteilchen frei werdenden Energiebetrag (E7, B1),

beurteilen die Bedeutung der Beziehung E=mc2 für Erforschung und technische Nutzung von Kernspaltung und Kernfusion (B1, B3),

Historische Aufnahme von Teilchenbahnen

Interpretation des Zusammenhangs zwischen Bindungs-energie pro Nukleon und der Kernspaltungs- bzw. Kernfusi-onsenergie bei den entsprechenden Prozessen

Hiroshima, Nagasaki

Erzeugung und Vernichtung von Teilchen

8 Ustd. Summe

45

Kontext: Satellitennavigation – Zeitmessung unter dem Einfluss von Geschwindigkeit und Gravitation Inhalt (Ustd. à 45 min)



Gravitation und Zeit-messung

(2 Ustd.)

beschreiben qualitativ den Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung (UF4)

Der Gang zweier Atomuhren in unterschiedlicher Höhe in einem Raum (früheres Expe-rimente der PTB Braun-schweig)

Flug von Atomuhren um die Erde (Video)

Dieser Unterrichtsabschnitt soll lediglich einen ersten – qualitativ orientierten – Einblick in die Äquivalenz von Gravitation und gleichmäßig beschleunigten Bezugssys-temen geben

Elemente des Kontextes Satellitennavigation können genutzt werden, sowohl die Zeitdilatation (infolge der unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Satelliten) als auch die Gravitationswirkung (infolge ihres Aufenthalts an verschiedenen Orten im Gravitationsfeld der Erde) zu verdeutlichen.

Die Gleichheit von träger und schwerer Masse (im Rahmen der heutigen Mess-genauigkeit)

(2 Ustd.)

veranschaulichen mithilfe eines einfachen gegen-ständlichen Modells den durch die Einwirkung von massebehafteten Körpern hervorgerufenen Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung sowie die „Krümmung des Raums“ (K3).

Einsteins Fahrstuhl-Gedankenexperiment

Das Zwillingsparadoxon (mit Beschleunigungsphasen und Phasen der glf. Bewegung

Film / Video

Präsentation durch Schülerin oder Schüler (mithilfe der Nutzung von Informations- und Animationsmaterial aus dem Internet)

4 Ustd. Summe

Kontext: Das heutige Weltbild




Gegenseitige Bedingung von Raum und Zeit

(2 Ustd.)

bewerten Auswirkungen der Relativitätstheorie auf die Veränderung des physikalischen Weltbilds (B4).

2 Ustd. Summe

46

Inhaltsfeld: Elektrik (LK) Kontext: Untersuchung von Elektronen

Inhalt

(Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Grundlagen:

Ladungstrennung,

Ladungsträger

(4 Ustd.)

erklären elektrostatische Phänomene und Influenz mithilfe grundlegender Eigenschaften elektrischer Ladungen (UF2, E6),

einfache Versuche zur Rei-bungselektrizität – Anziehung / Abstoßung,

halbquantitative Versuche u. a. mit dem Coulombmeter (auch Schülerversuche): Zwei aneinander geriebene Kunststoffstäbe aus unter-schiedlichen Materialien tragen betragsmäßig gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen, Influenzversuche

Es kann auf zwei verschiedene Arten von „Elektrizi-tät“ geschlossen werden (Wiederholung aus der SI).

Ladungen werden nicht erzeugt, sondern nur ge-trennt.

In Anlehnung an SI-Vorkenntnisse wird das Elektron als (ein) Träger der negativen Ladung benannt, sei-ne Eigenschaften sollen im Folgenden erforscht werden.

Bestimmung der Elementarladung:

elektrische Felder, Feldlinien

potentielle Energie im elektrischen Feld, Spannung

Kondensator

Elementarladung

(10 Ustd.)

beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homo-gener elektrischer und magnetischer Felder und erläutern die Definitionsgleichungen der entspre-chenden Feldstärken (UF2, UF1),

erläutern und veranschaulichen die Aussagen, Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodel-len, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschauli-chung typischer Felder und interpretieren Feldli-nienbilder (K3, E6, B4),

Prinzipieller Aufbau des Millikanversuchs, realer Versuchsaufbau und Computersimulation des Expe-rimentes (z. B. mit Physismart),

einfache Versuche (z. B. Bildgebung mit Kunststoff-Dipolen) und visuelle Medien zur Veranschaulichung elektrischer Felder im Feldlinienmodell,

Plattenkondensator (homogenes E-Feld),

Die Versuchsidee „eines“ Millikanversuchs wird er-arbeitet,

dazu werden der Begriff des elektrischen Feldes sowie die Veranschaulichung elektrischer Felder im Feldlinienmodell, eingeführt.

Definition der elektrischen Feldstärke in einem Punkt eines elektrischen Feldes,

Definition des homogenen Feldes,

Definition der Spannung (als Potentialdifferenz),

47

Inhalt

(Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



leiten physikalische Gesetze (u.a. die im homoge-nen elektrischen Feld gültige Beziehung zwischen Spannung und Feldstärke und den Term für die Lorentzkraft) aus geeigneten Definitionen und be-kannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2),

entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorge-hen sinnvoller ist (B4, UF2, E1),

Spannungsmessung am Plat-tenkondensator,

Fakultativ: Bestimmung der Elementarladung mit dem Millikanversuch (Simulation)

Zusammenhang zwischen E und U im homogenen Feld,

Bestimmung der Elementarladung mit Diskussion der Messgenauigkeit (Rückschluss auf das Realex-periment),

Übungsaufgaben (z.B. auch zum Coulomb’schen Gesetz, welches evtl. nur per Plausibilitätsbetrach-tung eingeführt wird.)

Bestimmung der Masse eines Elekt-rons:

magnetische Felder, Feldlinien,

potentielle Energie im elektrischen Feld, Energie bewegter Ladungsträger,

Elektronenmasse

(10 Ustd.)

erläutern an Beispielen den Stellenwert experimen-teller Verfahren bei der Definition physikalischer Größen (elektrische und magnetische Feldstärke) und geben Kriterien zu deren Beurteilung an (z.B. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Unabhängigkeit von Ort und Zeit) (B1, B4),

treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genau-igkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung (B1),

beschreiben qualitativ die Erzeugung eines Elektro-nenstrahls in einer Elektronenstrahlröhre (UF1, K3),

ermitteln die Geschwindigkeitsänderung eines La-dungsträgers nach Durchlaufen einer Spannung (auch relativistisch) (UF2, UF4, B1),

Stromwaage zur Demonstration der Kraftwirkung auf stromdurch-flossene Leiter im Magnetfeld sowie zur Veranschaulichung der Definition der magnetischen Feldstärke,

Versuche mit Elektronenstrahl-röhren und Fadenstrahlrohr zur Demonstration der Lorentzkraft,

Fadenstrahlrohr zur e/m – Be-stimmung

Im Sinne der Kontextarbeit wird nach der Masse des Elementarteilchens Elektron gefragt. Eventuell wird thematisiert, dass die Ablenkung im elektrischen Feld (im nichtrelativistischen Fall) nicht ausreicht.

Als Versuchsidee wird die Auswertung der Daten einer erzwungenen Kreisbewegung des Teilchens erarbeitet.

Dazu werden der Begriff des magnetischen Feldes sowie die Veranschaulichung magnetischer Felder (incl. Feldlinienmodell) eingeführt.

Definition der magnetischen Feldstärke, Definition des homogenen Feldes,

Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld, Herleitung der Lorentzkraft,

Ein Verfahren zur Beschleunigung der Elektronen sowie zur Bestimmung ihrer Geschwindigkeit wird erarbeitet.

48

Inhalt

(Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



erläutern den Feldbegriff und zeigen dabei Gemein-samkeiten und Unterschiede zwischen Gravitations-feld, elektrischem und magnetischem Feld auf (UF3, E6),

entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorge-hen sinnvoller ist (B4, UF2, E1),

erläutern und veranschaulichen die Aussagen, Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodel-len, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschauli-chung typischer Felder und interpretieren Feldli-nienbilder (K3, E6, B4),

bestimmen die relative Orientierung von Bewe-gungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeld-richtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe einer Drei-Finger-Regel (UF2, E6),

leiten physikalische Gesetze (Term für die Lorentzkraft) aus geeigneten Definitionen und be-kannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2),

beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung von Ladungsträgern in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern sowie in gekreuzten Feldern (Wien-Filter, Hall-Effekt) (E1, E2, E3, E4, E5 UF1, UF4),

schließen aus spezifischen Bahnkurvendaten bei der e/m-Bestimmung und beim Massenspektrome-ter auf wirkende Kräfte sowie Eigenschaften von Feldern und bewegten Ladungsträgern (E5, UF2),

24 Ustd. Summe

49

Kontext: Aufbau und Funktionsweise wichtiger Versuchs- und Messapparaturen Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Anwendungen in Forschung und Technik:

Bewegung von La-dungsträgern in Fel-dern

(12 Ustd.)

beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung von Ladungsträgern in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern sowie in gekreuzten Feldern (Wien-Filter, Hall-Effekt) (E1, E2, E3, E4, E5 UF1, UF4),

erstellen, bei Variation mehrerer Parameter, Tabellen und Diagramme zur Darstellung von Messwerten aus dem Bereich der Elektrik (K1, K3, UF3),

beschreiben qualitativ die Erzeugung eines Elektronen-strahls in einer Elektronenstrahlröhre (UF1, K3),

ermitteln die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungs-trägers nach Durchlaufen einer Spannung (auch relati-vistisch) (UF2, UF4, B1),

schließen aus spezifischen Bahnkurvendaten beim Massenspektrometer auf wirkende Kräfte sowie Eigen-schaften von Feldern und bewegten Ladungsträgern, (E5, UF2),

erläutern den Feldbegriff und zeigen dabei Gemein-samkeiten und Unterschiede zwischen Gravitationsfeld, elektrischem und magnetischem Feld auf (UF3, E6),

erläutern die Funktionsweise eines Zyklotrons (UF4, E6),

leiten physikalische Gesetze aus geeigneten Definitio-nen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2),

Hallsonde,

Halleffektgerät (Hallplättchen),

diverse Spulen, deren Felder ver-messen werden,

Elektronenstrahlablenkröhre

visuelle Medien, Computersimula-tionen zum Massenspektrometer, Zyklotron und evtl. weiteren Teil-chenbeschleunigern,

Oszilloskop (z. B. „Qualitätsbe-stimmung“ von Gleichspannungen)

Das Problem der Messung der Stärke des magnetischen Feldes der Helmholtzspulen (e/m – Bestimmung) wird wieder aufgegrif-fen,

Vorstellung des Aufbaus einer Hallsonde und Erarbeitung der Funktionsweise einer Hallsonde,

Veranschaulichung des Halleffekt (mit „Hall-Plättchen“)

Kalibrierung einer Hallsonde,

Messungen mit der Hallsonde u. a. Vermes-sung des Helmholtzspulenfeldes,

Arbeits- und Funktionsweisen sowie die Verwendungszwecke von Elektronenröhren (z. B. Oszilloskop), Teilchenbeschleuniger und eines Massenspektrometer werden untersucht.

50


Kompetenzen



entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorgehen sinn-voller ist (B4, UF2, E1),

wählen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Größen sowie physikalische Gesetze (u.a. Coulomb’sches Gesetz, Kraft auf einen strom-durchflossenen Leiter im Magnetfeld, Lorentzkraft, Spannung im homogenen E-Feld) problembezogen aus (UF2),

51


Kompetenzen



Moderne messtech-nische Verfahren sowie Hilfsmittel zur Mathematisierung:

Auf- und Entladung von Kondensatoren,

Energie des elektri-schen Feldes

(10 Ustd.)

erläutern an Beispielen den Stellenwert experimenteller Verfahren bei der Definition physikalischer Größen (elektrische und magnetische Feldstärke) und geben Kriterien zu deren Beurteilung an (z.B. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Unabhängigkeit von Ort und Zeit) (B1, B4),

erläutern und veranschaulichen die Aussagen, Idealisie-rungen und Grenzen von Feldlinienmodellen, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschaulichung typischer Felder und interpretieren Feldlinienbilder (K3, E6, B4),




ermitteln die in elektrischen bzw. magnetischen Feldern gespeicherte Energie (Kondensator) (UF2),

beschreiben qualitativ und quantitativ, bei vorgegebe-nen Lösungsansätzen, Ladungs- und Entladungsvor-gänge in Kondensatoren (E4, E5, E6),

Kondensatoren (als Ladungs-/ Energiespeicher),

Aufbaukondensatoren mit der Mög-lichkeit die Plattenfläche und den Plattenabstand zu variieren,

statische Voltmeter,

Schülerversuche zur Auf- und Ent-ladung von Kondensatoren,

Computer zur Messwertverarbei-tung (fakultativ)

Kondensatoren werden als Ladungs-/ Ener-giespeicher vorgestellt. (z.B. bei elektroni-schen Geräten wie Computern)

Die (Speicher-) Kapazität wird definiert und der Zusammenhang zwischen Kapazität, Plattenabstand und Plattenfläche für den Plattenkondensator (deduktiv mit Hilfe der Grundgleichung des elektrischen Feldes) ermittelt.

Plausibilitätsbetrachtung zur Grundgleichung des elektrischen Feldes im Feldlinienmodell,

Ermittlung der elektrischen Feldkonstante (evtl. Messung),

Auf- und Entladevorgänge bei Kondensato-ren werden messtechnisch erfasst, compu-terbasiert ausgewertet und zusätzlich (auch mit Differentialgleichungen) beschrieben.

deduktive Herleitung der in Kondensatoren gespeicherten elektrischen Energien

52


Kompetenzen



treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Aus-wahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genauigkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgege-bene Problemstellung (B1),

wählen begründet mathematische Werkzeuge zur Dar-stellung und Auswertung von Messwerten im Bereich der Elektrik (auch computergestützte graphische Dar-stellungen, Linearisierungsverfahren, Kurvenanpassun-gen), wenden diese an und bewerten die Güte der Messergebnisse (E5, B4),

22 Ustd. Summe

53

Kontext: Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektrischer Energie Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Induktion, das grund-legende Prinzip bei der Versorgung mit elektrischer Energie:

Induktionsvorgänge, Induktionsgesetz,

Lenz‘sche Regel,

Energie des magneti-schen Feldes

(22 Ustd.)




planen und realisieren Experimente zum Nachweis der Teilaussagen des Induktionsgesetzes (E2, E4, E5),

führen das Auftreten einer Induktionsspannung auf die zeitliche Änderung der von einem Leiter überstrichenen gerichteten Fläche in einem Magnetfeld zurück (u.a. bei der Erzeugung einer Wechselspannung) (E6),

erstellen, bei Variation mehrerer Parameter, Tabellen und Diagramme zur Darstellung von Messwerten aus dem Bereich der Elektrik (K1, K3, UF3),

treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Aus-wahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genauigkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgege-bene Problemstellung (B1),

identifizieren Induktionsvorgänge aufgrund der zeitli-chen Änderung der magnetischen Feldgröße B in An-wendungs- und Alltagssituationen (E1, E6, UF4),

Medien zur Information über prinzi-pielle Verfahren zur Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elekt-rischer Energie,

Modellversuch zur Übertragung elektrischer Energie (fakultativ)

Bewegung eines Leiters im Magnet-feld - Leiterschaukel,

einfaches elektrodynamisches Mik-rofon,

Generatoren (vereinfachte Funkti-onsmodelle für Unterrichtszwecke)

Versuch zur elektromagnetischen Induktion bei Änderung der Feld-größe B, registrierende Messung von B(t) und Uind(t),

„Aufbau-“ Transformatoren zur Spannungswandlung

Die Sonderrolle der Photovoltaik (Energie-wandlung ohne Generator) wird aufgezeigt, die Gemeinsamkeiten der übrigen „Kraftwer-ke“ werden erarbeitet. Die Arbeitsweise gro-ßer (Verbund-) Netze sowie deren Steue-rungsprobleme werden nur kurz angespro-chen, wegen seiner Einfachheit wird nur ein „klassisches“ lokales (lineares) Vertei-lungsnetz behandelt, die wesentlichen physi-kalischen Grundlagen können auch daran erarbeitet werden.

Leiterschaukelversuch evtl. auch im Hinblick auf die Registrierung einer gedämpften me-chanischen Schwingung auswertbar,

Generatoren werden nur qualitativ behandelt.

Das Induktionsgesetz in seiner allgemeinen Form wird erarbeitet: 1. Flächenänderung (deduktive Herleitung) 2. Änderung der Feldgröße B

Drehung einer Leiterschleife (qualitative Be-trachtung)

Der magnetische Fluss wird definiert, das Induktionsgesetz als Zusammenfassung und Verallgemeinerung der Ergebnisse formuliert.

qualitative Deutung des Versuchsergebnisses zur Selbstinduktion

54


Kompetenzen



wählen begründet mathematische Werkzeuge zur Dar-stellung und Auswertung von Messwerten im Bereich der Elektrik (auch computer-gestützte graphische Dar-stellungen, Linearisierungsverfahren, Kurvenanpassun-gen), wenden diese an und bewerten die Güte der Messergebnisse (E5, B4),

ermitteln die in magnetischen Feldern gespeicherte Energie (Spule) (UF2),

bestimmen die Richtungen von Induktionsströmen mit-hilfe der Lenz’schen Regel (UF2, UF4, E6),

begründen die Lenz’sche Regel mithilfe des Energie- und des Wechselwirkungskonzeptes (E6, K4),

Versuch zur Demonstration der Selbstinduktion (Vergleich der Ein- und Ausschaltströme in parallelen Stromkreisen mit rein ohmscher bzw. mit induktiver Last),

Versuche zur Demonstration der Wirkung von Wirbelströmen (u. a. Fallröhre),

diverse „Ringversuche“

Deduktive Herleitung des Terms für die Selbstinduktionsspannung einer langen Spule (ausgehend vom Induktionsgesetz), Interpre-tation des Vorzeichens mit Hilfe der Lenz’schen Regel

Definition der Induktivität,

deduktive Herleitung der in Spulen gespei-cherten magnetischen Energien

22 Ustd. Summe

55

Kontext: Physikalische Grundlagen der drahtlosen Nachrichtenübermittlung Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Der elektromagneti-sche Schwingkreis – das Basiselement der Nachrichten-technik:

Elektromagnetische Schwingungen im RLC-Kreis,

Energieumwand-lungsprozesse im RLC-Kreis

(12 Ustd.)

erläutern die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen, erstellen aussagekräftige Diagramme und werten diese aus (E2, E4, E5, B1),

treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genauig-keit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung (B1),

erläutern qualitativ die bei einer ungedämpften elekt-romagnetischen Schwingung in der Spule und am Kondensator ablaufenden physikalischen Prozesse (UF1, UF2),

beschreiben den Schwingvorgang im RLC-Kreis qua-litativ als Energieumwandlungsprozess und benennen wesentliche Ursachen für die Dämpfung (UF1, UF2, E5),

Resonanzversuche (auch Analogie zur Akustik),

wählen begründet mathematische Werkzeuge zur Darstellung und Auswertung von Messwerten im Be-reich der Elektrik (auch computer-gestützte graphi-sche Darstellungen, Linearisierungsverfahren, Kur-venanpassungen), wenden diese an und bewerten die Güte der Messergebnisse (E5, B4),

entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorgehen sinnvoller ist (B4, UF2, E1),

RLC - Serienschwingkreis insbesondere mit registrierenden Messverfahren und computergestütz-ten Auswerteverfahren,

Meißner- Rückkopplungsschaltung zur Erzeugung / Demonstration entdämpfter elektromagnetischer Schwingungen

Die zentrale Funktionseinheit „Schwing-kreis“ wird genauer untersucht.

Spannungen und Ströme im RCL – Kreis werden zeitaufgelöst registriert, die Dia-gramme sind Grundlage für die qualitative Beschreibung der Vorgänge in Spule und Kondensator.

Quantitativ wird nur die ungedämpfte Schwingung beschrieben (incl. der Herlei-tung der Thomsonformel).

56


Kompetenzen



wählen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Größen sowie physikalische Gesetze problembezogen aus (UF2),

leiten physikalische Gesetze aus geeigneten Definiti-onen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2).

Die Möglichkeiten zur mathematischen Be-schreibung gedämpfter Schwingungen so-wie Möglichkeiten der Entdämpfung / Rück-kopplung werden nur kurz und rein qualitativ angesprochen.

Materiefreie Über-tragung von Informa-tion und Energie:

Entstehung und Aus-breitung elektro-magnetischer Wellen,

Energietransport und Informationsüber-tragung durch elektro-magnetische Wellen,

(16 Ustd.)

beschreiben den Hertz’schen Dipol als einen (offe-nen) Schwingkreis (UF1, UF2, E6),

erläutern qualitativ die Entstehung eines elektrischen bzw. magnetischen Wirbelfelds bei B- bzw. E-Feldänderung und die Ausbreitung einer elektromag-netischen Welle (UF1, UF4, E6),

beschreiben qualitativ die lineare Ausbreitung harmo-nischer Wellen als räumlich und zeitlich periodischen Vorgang (UF1, E6),

erläutern anhand schematischer Darstellungen Grundzüge der Nutzung elektromagnetischer Träger-wellen zur Übertragung von Informationen (K2, K3, E6).

ermitteln auf der Grundlage von Brechungs-, Beu-gungs- und Interferenzerscheinungen (mit Licht- und Mikrowellen) die Wellenlängen und die Lichtge-schwindigkeit (E2, E4, E5).

beschreiben die Phänomene Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz im Wellenmodell und be-gründen sie qualitativ mithilfe des Huygens’schen Prinzips (UF1, E6).

erläutern konstruktive und destruktive Interferenz sowie die entsprechenden Bedingungen mithilfe ge-eigneter Darstellungen (K3, UF1),

L-C-Kreis, der sich mit einem magneti-schen Wechselfeld über eine „Anten-ne“ zu Schwingungen anregen lässt,

dm-Wellen-Sender mit Zubehör (Emp-fängerdipol, Feldindikatorlampe),

Visuelle Medien zur Veranschauli-chung der zeitlichen Änderung der E- und B-Felder beim Hertz’schen Dipol, entsprechende Computersimulationen,

Visuelle Medien zur magneto-elektrischen Induktion,

Visuelle Medien zur Veranschauli-chung der Ausbreitung einer elektro-magnetischen Welle, entsprechende Computersimulationen,

Versuche mit dem dm-Wellen-Sender (nach Anschaffung; steht noch aus),

Schwingkreise durch z. B. „Handywellen“ zur Motivation der Erforschung sogenannter elektromagnetischer Wellen,

Was ist eine elektromagnetische Welle und wie kann sie erzeugt werden? Wie breiten sich elektromagnetische Wellen (selbst im Vakuum) aus?

Übergang vom Schwingkreis zum Hertz’schen Dipol durch Verkleinerung von L und C,

Überlegungen zum „Ausbreitungsmecha-nismus“ elektromagnetischer Wellen:

Induktion findet auch ohne Leiter („In-duktionsschleife“) statt!

(Z.B.) Versuch zur Demonstration des Magnetfeldes um stromdurchflossene Leiter, über die ein Kondensator aufge-laden wird.

Auch im Bereich zwischen den Kondensatorplatten existiert ein magne-tisches Wirbelfeld.

57


Kompetenzen



entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorgehen sinnvoller ist (B4, UF2, E1),

leiten physikalische Gesetze aus geeigneten Definiti-onen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2),

beschreiben die Interferenz an Doppelspalt und Gitter im Wellenmodell und leiten die entsprechenden Ter-me für die Lage der jeweiligen Maxima n-ter Ordnung her (E6, UF1, UF2),

wählen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Größen sowie physikalische Gesetze problembezogen aus (UF2),

erstellen, bei Variation mehrerer Parameter, Tabellen und Diagramme zur Darstellung von Messwerten (K1, K3, UF3).

Visuelle Medien zur Veranschauli-chung der Ausbreitung einer linearen (harmonischen) Welle, auch Wellenmaschine zur Erinnerung an mechanische Wellen, entsprechen-de Computersimulationen,

Mikrowellensender / -empfänger mit Gerätesatz für Beugungs-, Brechungs- und Interferenzexperimente,

(nach Anschaffung)

Interferenz-, Beugungs- und Bre-chungsexperimente mit (Laser-) Licht an Doppelspalt und Gitter (quantitativ) – sowie z.B. an Kanten, dünnen Schich-ten,... (qualitativ)

Beugungs-, Brechungs- und Interferenzer-scheinungen zum Nachweis des Wellencha-rakters elektromagnetischer Wellen,

28 Ustd. Summe

58

Inhaltsfeld: Quantenphysik (LK) Kontext: Erforschung des Photons Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Lichtelektrischer Effekt

(1 Ustd.)

diskutieren und begründen das Versagen der klassi-schen Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse (K4, E6)

legen am Beispiel des Photoeffekts und seiner Deutung dar, dass neue physikalische Experimente und Phä-nomene zur Veränderung des physikalischen Weltbil-des bzw. zur Erweiterung oder Neubegründung physi-kalischer Theorien und Modelle führen können (E7),

Entladung einer positiv bzw. nega-tiv geladenen Zinkplatte mithilfe des Lichts einer Hg-Dampf-Lampe (ohne und mit Glasscheibe)

Qualitative Demonstration des Photoeffekts

Teilcheneigenschaf-ten von Photonen

Planck´sches Wir-kungsquantum

(7 Ustd.)

erläutern die qualitativen Vorhersagen der klassischen Elektrodynamik zur Energie von Photoelektronen (be-zogen auf die Frequenz und Intensität des Lichts) (UF2, E3),

erläutern den Widerspruch der experimentellen Befun-de zum Photoeffekt zur klassischen Physik und nutzen zur Erklärung die Einstein’sche Lichtquantenhypothese (E6, E1),

diskutieren das Auftreten eines Paradigmenwechsels in der Physik am Beispiel der quantenmechanischen Be-schreibung von Licht und Elektronen im Vergleich zur Beschreibung mit klassischen Modellen (B2, E7),

beschreiben und erläutern Aufbau und Funktionsweise von komplexen Versuchsaufbauten (u.a. zur h-Bestimmung und zur Elektronenbeugung) (K3, K2),

ermitteln aus den experimentellen Daten eines Ver-suchs zum Photoeffekt das Planck´sche Wirkungs-quantum (E5, E6),

1. Versuch zur h-Bestimmung: Gegenspannungsmethode (Hg-Linien und/oder Dioden)

2. Schülerversuch zum inneren Photoeffekt mit LEDs

Spannungsbestimmung wird mit Hilfe der Kondensatormethode realisiert (ursprüngliche Gegenfeldmethode wird diskutiert)

8 Ustd. Summe

59

Kontext: Röntgenstrahlung, Erforschung des Photons Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Röntgenröhre

Röntgenspektrum

(2 Ustd.)

beschreiben den Aufbau einer Röntgenröhre (UF1),

Computersimulation zur Auf-nahme eines Röntgenspektrums

Die Behandlung der Röntgenstrahlung er-scheint an dieser Stelle als „Einschub“ in die Reihe zur Quantenphysik sinnvoll, obwohl sie auch zu anderen Sachbereichen Querverbin-dungen hat und dort durchgeführt werden könnte (z.B. „Physik der Atomhülle“)

Zum jetzigen Zeitpunkt müssen kurze Sachin-formationen zum Aufbau der Atomhülle und den Energiezuständen der Hüllelektronen gegeben (recherchiert) werden.

Bragg’sche Reflexi-onsbedingung

(2 Ustd.)

erläutern die Bragg-Reflexion an einem Einkristall und leiten die Bragg’sche Reflexionsbedingung her (E6),

Computersimulation zur Bragg-Reflexion,

Erörterung eines Röntgen-spektrums (Winkel-Inten-sitätsdiagramm im Vergleich zu Wellenlängen-Intensitätsdiagramm)

Die Bragg’sche Reflexionsbedingung basiert auf Welleninterpretation, die Registrierung der Röntgenstrahlung mithilfe des Detektors hat den Teilchenaspekt im Vordergrund

Planck’sches Wir-kungsquantum

(1 Ustd.)

deuten die Entstehung der kurzwelligen Röntgenstrah-lung als Umkehrung des Photoeffekts (E6),

Eine zweite Bestimmungsmethode für das Planck’sche Wirkungsquantum

60


Kompetenzen



Strukturanalyse mithil-fe der Drehkristallme-thode

(2 Ustd.)

Foto

Anwendungen der Röntgenstrahlen in der Praxis

(2 Ustd.)

führen Recherchen zu komplexeren Fragestellungen der Quantenphysik durch und präsentieren die Ergebnisse (K2, K3),

Video / Foto

Schülervorträge auf fachlich an-gemessenem Niveau (mit adä-quaten fachsprachlichen Formu-lierungen) (fakultativ)

Schülerreferate mit Präsentationen anhand Internetrecherchen (fakultativ)

9 Ustd. Summe

61

Kontext: Erforschung des Elektrons


Kompetenzen



Wellencharakter von Elektronen

(2 Ustd.)

interpretieren experimentelle Beobachtungen an der Elektronenbeugungsröhre mit den Welleneigenschaf-ten von Elektronen (E1, E5, E6),

Demonstrationen mit der Elektro-nenbeugungsröhre

Hinweise auf erlaubte nichtrelativistische Be-trachtung (bei der verwendeten Elektronen-beugungsröhre der Schule)

Streuung und Beu-gung von Elektronen

De Broglie-Hypothese

(4 Ustd.)

beschreiben und erläutern Aufbau und Funktionswei-se von komplexen Versuchsaufbauten (u.a. zur h-Bestimmung und zur Elektronenbeugung) (K3, K2),

erklären die de Broglie-Hypothese am Beispiel von Elektronen (UF1),

Quantitative Messung (fakultativ) und Auswertung von Messergeb-nissen von der Elektronenbeu-gungsröhre

Herausstellen der Bedeutung der Bragg’schen Reflexionsbedingung für (Röntgen-) Photonen wie für Elektronen mit Blick auf den Wellenaspekt von Quantenobjekten

Dabei Betonung der herausragenden Bedeutung der de Broglie-Gleichung für die quantitative Be-schreibung (lichtschnellen und nicht lichtschnel-ler) Quantenobjekte

6 Ustd. Summe

62

Kontext: Die Welt kleinster Dimensionen – Mikroobjekte und Quantentheorie Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



linearer Potentialtopf

Energiewerte im line-aren Potentialtopf

(4 Ustd.)

deuten das Quadrat der Wellenfunktion qualitativ als Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen (UF1, UF4),

ermitteln die Wellenlänge und die Energiewerte von im linearen Potentialtopf gebundenen Elektronen (UF2, E6).

Auf die Anwendbarkeit des Potentialtopf-Modells bei Farbstoffmolekülen hinweisen

Die Anwendbarkeit des (mechanischen) Modells der stehenden Welle kann insofern bestätigt werden, als dass die für die ste-henden Wellen sich ergebende DGl mit der-jenigen der (zeitunabhängigen) Schrödinger-DGl strukturell übereinstimmt

Ein Ausblick auf die Schrödinger-Gleichung genügt

Wellenfunktion und Aufenthalts-wahrscheinlichkeit

(4 Ustd.)

erläutern die Aufhebung des Welle-Teilchen-Dualismus durch die Wahrscheinlichkeitsinterpretation (UF1, UF4),

erläutern die Bedeutung von Gedankenexperimenten und Simulationsprogrammen zur Erkenntnisgewinnung bei der Untersuchung von Quantenobjekten (E6, E7).

erläutern bei Quantenobjekten das Auftreten oder Ver-schwinden eines Interferenzmusters mit dem Begriff der Komplementarität (UF1, E3),

diskutieren das Auftreten eines Paradigmenwechsels in der Physik am Beispiel der quantenmechanischen Be-schreibung von Licht und Elektronen im Vergleich zur Be-schreibung mit klassischen Modellen (B2, E7),

stellen anhand geeigneter Phänomene dar, wann Licht durch ein Wellenmodell bzw. ein Teilchenmodell beschrie-ben werden kann (UF1, K3, B1),

Demonstration des Durchgangs eines einzelnen Quantenobjekts durch einen Doppelspalt mithilfe eines Simulationsprogramms oder mithilfe von Videos

63


Kompetenzen



Heisenberg´sche Un-schärferelation

(2 Ustd.)

erläutern die Aussagen und die Konsequenzen der Hei-senberg´schen Unschärferelation (Ort-Impuls, Energie-Zeit) an Beispielen (UF1, K3),

bewerten den Einfluss der Quantenphysik im Hinblick auf Veränderungen des Weltbildes und auf Grundannahmen zur physikalischen Erkenntnis (B4, E7).

Die Heisenberg’sche Unschärferelation kann (aus fachlicher Sicht) nur plausibel gemacht werden aufgrund des sich aus der Interfe-renzbedingung ergebenden Querimpulses eines Quantenobjekts, wenn dieses einen Spalt passiert.

10 Ustd. Summe

64

Inhaltsfeld: Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik (LK) Kontext: Geschichte der Atommodelle, Lichtquellen und ihr Licht Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Atomaufbau:

Kern-Hülle-Modell

(2 Ustd.)

geben wesentliche Schritte in der historischen Ent-wicklung der Atommodelle bis hin zum Kern-Hülle-Modell wieder (UF1),

Diverse Atommodelle (Antike bis Anfang 20. Jhd.)

Rutherford’scher Streuversuch

Simulation

Linienspektren

(3 Ustd.)

stellen die Bedeutung des Franck-Hertz-Versuchs und der Experimente zu Linienspektren in Bezug auf die historische Bedeutung des Bohr’schen Atommodells dar (E7).

Durchstrahlung einer Na-Flamme mit Na- und Hg-Licht (Schatten-bildung), Linienspektren von H

Demonstrationsversuch, Arbeitsblatt

Energiequantelung der Hüllelektronen

(3 Ustd.)

erklären Linienspektren in Emission und Absorption sowie den Franck-Hertz-Versuch mit der Energiequan-telung in der Atomhülle (E5),

Linienspektren, Franck-Hertz-Versuch

Linienspektren deuten auf diskrete Energien hin

Bohr’sche Postulate

(2 Ustd.)

formulieren geeignete Kriterien zur Beurteilung des Bohr´schen Atommodells aus der Perspektive der klassischen und der Quantenphysik (B1, B4),

Energieniveaus, Bohr’scher Radius

10 Ustd. Summe

65

Kontext: Physik in der Medizin (Bildgebende Verfahren, Radiologie)


Kompetenzen



Ionisierende Strah-lung:

Detektoren

(3 Ustd.)

benennen Geiger-Müller-Zählrohr und Halbleiterde-tektor als experimentelle Nachweismöglichkeiten für ionisierende Strahlung und unterscheiden diese hin-sichtlich ihrer Möglichkeiten zur Messung von Ener-gien (E6),

Geiger-Müller-Zählrohr,

Nebelkammer

Ggf. Schülermessungen mit Zählrohren (Alltags-gegenstände, Nulleffekt , Präparate etc.)

Demonstration der Nebelkammer,

Material zu Halbleiterdetektoren

Strahlungsarten

(5 Ustd.)

erklären die Ablenkbarkeit von ionisierenden Strahlen in elektrischen und magnetischen Feldern sowie die Ionisierungsfähigkeit und Durchdringungsfähigkeit mit ihren Eigenschaften (UF3),

erklären die Entstehung des Bremsspektrums und des charakteristischen Spektrums der Röntgenstrah-lung (UF1),

benennen Geiger-Müller-Zählrohr und Halbleiterde-tektor als experimentelle Nachweismöglichkeiten für ionisierende Strahlung und unterscheiden diese hin-sichtlich ihrer Möglichkeiten zur Messung von Ener-gien (E6),

erläutern das Absorptionsgesetz für Gamma-Strahlung, auch für verschiedene Energien (UF3),

Absorption von -, -, -Strahlung

Ablenkung von -Strahlen im Magnetfeld

Dosimetrie

(2 Ustd.)

erläutern in allgemein verständlicher Form bedeutsa-me Größen der Dosimetrie (Aktivität, Energie- und Äquivalentdosis) auch hinsichtlich der Vorschriften zum Strahlenschutz (K3),

Berichte über Unfälle im kerntech-nischen Bereich

66


Kompetenzen



Bildgebende Verfah-ren

(4 Ustd.)

stellen die physikalischen Grundlagen von Röntgen-aufnahmen und Szintigrammen als bildgebende Ver-fahren dar (UF4),

beurteilen Nutzen und Risiken ionisierender Strahlung unter verschiedenen Aspekten (B4),

Nutzung von Strahlung zur Diagnose und zur Therapie bei Krankheiten des Menschen (von Lebewesen) sowie zur Kontrolle bei technischen Anlagen

14 Ustd. Summe

Kontext: (Erdgeschichtliche) Altersbestimmungen


Kompetenzen



Radioaktiver Zerfall:

Kernkräfte

(1 Ustd.)

benennen Protonen und Neutronen als Kernbaustei-ne, identifizieren Isotope und erläutern den Aufbau einer Nuklidkarte (UF1),

Ausschnitt aus Nuklidkarte Aufbauend auf Physik- und Chemieunterreicht der Mittelstufe

Zerfallsprozesse

(7 Ustd.)

identifizieren natürliche Zerfallsreihen sowie künstlich herbeigeführte Kernumwandlungsprozesse mithilfe der Nuklidkarte (UF2),

Elektronische Nuklidkarte Umgang mit einer Nuklidkarte

entwickeln Experimente zur Bestimmung der Halb-wertszeit radioaktiver Substanzen (E4, E5), Isotopengenerator Ggf. Auswertung mit Tabellenkalkulation durch

Schüler

nutzen Hilfsmittel, um bei radioaktiven Zerfällen den funktionalen Zusammenhang zwischen Zeit und Ab-nahme der Stoffmenge sowie der Aktivität radioakti-ver Substanzen zu ermitteln (K3),

Tabellenkalkulation Linearisierung, Quotientenmethode (fakultativ), Halbwertszeitabschätzung, logarithmische Auf-tragung

67


Kompetenzen



leiten das Gesetz für den radioaktiven Zerfall ein-schließlich eines Terms für die Halbwertszeit her (E6),

Aufbauend auf der Herleitung der Kondensatorentladung

Altersbestimmung

(2 Ustd.)

bestimmen mithilfe des Zerfallsgesetzes das Alter von Materialien mit der C14-Methode (UF2),

10 Ustd. Summe

68

Kontext: Energiegewinnung durch nukleare Prozesse


Kompetenzen



Kernspaltung und Kernfusion:

Massendefekt, Äqui-valenz von Masse und Energie, Bindungs-energie

(2 Ustd.)

bewerten den Massendefekt hinsichtlich seiner Be-deutung für die Gewinnung von Energie (B1),

bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Er-kenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik (B1),

Kettenreaktion

(2 Ustd.)

erläutern die Entstehung einer Kettenreaktion als relevantes Merkmal für einen selbstablaufenden Pro-zess im Nuklearbereich (E6),

beurteilen Nutzen und Risiken von Kernspaltung und Kernfusion anhand verschiedener Kriterien (B4),

Mausefallenmodell (Video)

Kernspaltung, Kernfu-sion

(5 Ustd.)

beschreiben Kernspaltung und Kernfusion unter Be-rücksichtigung von Bindungsenergien (quantitativ) und Kernkräften (qualitativ) (UF4),

Diagramm B/A gegen A, Tabellen-werk

hinterfragen Darstellungen in Medien hinsichtlich technischer und sicherheitsrelevanter Aspekte der Energiegewinnung durch Spaltung und Fusion (B3, K4).

Schülerdiskussion, Pro-Kontra-Diskussion

9 Ustd. Summe

69

Kontext: Forschung am CERN und DESY – Elementarteilchen und ihre fundamentalen Wechselwirkungen Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen



Kernbausteine und Elementarteilchen

(4 Ustd.)

systematisieren mithilfe des heutigen Standardmo-dells den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phänomene der Kernphysik (UF3),

Existenz von Quarks (Video)

Internet (CERN / DESY)

Da in der Schule kaum Experimente zum The-ma „Elementarteilchenphysik“ vorhanden sind, sollen besonders Rechercheaufgaben und Prä-sentationen im Unterricht genutzt werden.

Ggf. Schülerreferate

Kernkräfte

Austauschteilchen der fundamentalen Wech-selwirkungen

(4 Ustd.)

vergleichen das Modell der Austauschteilchen im Bereich der Elementarteilchen mit dem Modell des Feldes (Vermittlung, Stärke und Reichweite der Wechselwirkungskräfte) (E6).

erklären an Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell mithilfe der Heisenberg’schen Un-schärferelation und der Energie-Masse-Äquivalenz (UF1).

Besonderer Hinweis auf andere Sichtweise der „Kraftübertragung“: Feldbegriff vs. Austausch-teilchen

Aktuelle Forschung und offene Fragen der Elementarteilchen-physik

(z.B. Higgs-Teilchen, Dunkle Materie, Dunk-le Energie, Asymmet-rie zwischen Materie und Antimaterie, …)

(3 Ustd.)

recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtun-gen zu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Elementarteilchenphysik (K2),

Literatur und Recherche im Inter-net

11 Ustd. Summe

70

2.2 Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe

In Absprache mit der Lehrerkonferenz sowie unter Berücksichtigung des Schul-programms hat die Fachkonferenz Physik die folgenden fachmethodischen und fachdidaktischen Grundsätze beschlossen.

Es werden zunächst (in kursiver Schrift) die fächerübergreifenden Aspekte be-nannt, die anschließend fachspezifisch konkretisiert werden und auch Gegen-stand der Qualitätsanalyse sind.

1.) Geeignete Problemstellungen zeichnen die Ziele des Unterrichts vor und bestimmen die Struktur der Lernprozesse:

Für den Physikunterricht bedeutet das eine kontextorientierte Anlage so-wohl der gesamten Unterrichtsreihen wie auch, wenn möglich und sinnvoll, der Unterrichtseinheiten. Dazu gehört, dass möglichst aufgrund le-bensweltnaher, technisch-gesellschaftlicher oder forschungspraktischer Ausgangssituationen die – physikalischen – Problemfragen von den Schü-lerinnen und Schülern formuliert werden, diesen Fragen anschließend auf experimentellem bzw. deduktiven Wege nachgegangen wird, die Ergebnis-se hinsichtlich der Erkenntnisgewinnung und Bedeutung reflektiert sowie der Lernprozess bewusst gemacht wird.

2.) Medien und Arbeitsmittel sind schülernah gewählt:

Die Schülerinnen und Schüler müssen ein Mindestmaß an Formeln aus-wendig kennen. Die Verwendung der fächerübergreifend in der gymnasia-len Oberstufe eingeführten Formelsammlung dient der Vorbereitung auf die Zentralabiturklausur.

Für den Physikunterricht ist die Nutzung des Computers selbstverständlich: Der Computer wird sowohl zur Messwerterfassung bei Realexperimenten als auch als Werkzeug zur Simulation, sowie zur Recherche und als Litera-turquelle im Internet genutzt. Der Computer soll auch bei der häuslichen Arbeit der Schülerinnen und Schüler Einsatz finden.

Der Physikunterricht bietet gute Gelegenheit, den Einsatz weiterer Medien, wie beispielsweise die Nutzung von Handys (Smartphones) über deren ein-gebaute Sensoren bzw. mit Hilfe entsprechender Apps zu erproben. Unter-suchungsaufträge für die jeweils unterrichtende Lehrkraft und die gewon-nenen Erfahrungen werden auf den Fachkonferenzen abgesprochen bzw. ausgetauscht.

3.) Der Unterricht fördert eine aktive Teilnahme der Schülerinnen und Schüler.

Sie erhalten Gelegenheit zu selbstständiger und kooperativer Arbeit und werden dabei unterstützt:

Im Physikunterricht sollen immer wieder sowohl Phasen der Einzelarbeit und kooperative Lernformen realisiert werden, um sowohl die individuelle selbstständige Arbeit der Lernenden als auch deren fachlich-

71

kommunikativen Kompetenzen zu stärken. Wenn die Größe der Lerngruppe es erlaubt, kann bei intensiven fachlichen Diskussionen und Analysen auch eine problemorientierte Plenumsphase sinnvoll sein. Es ist darauf zu ach-ten, für das Erreichen des jeweiligen Unterrichtsziels eine geeignet erschei-nende Unterrichtsmethode zu wählen, wobei jede Einseitigkeit in der Wahl der Aktions- und Sozialformen vermieden werden sollte.

4.) Der Unterricht fördert die Zusammenarbeit zwischen den Schülerinnen und

Schülern, bietet ihnen Möglichkeiten zu eigenen Lösungen und berücksich-tigt die individuellen Lernwege der Lernenden:

Für den Physikunterricht bedeutet das die besondere Wertschätzung ver-schiedener, individueller Lösungsideen, um letztlich fachlich richtige Lö-sungsalternativen zu gewinnen und diese entsprechend zu würdigen. Dazu gehört auch, eventuell auftretende Fehler in der Gemeinschaft aller zu klä-ren und sich der Fehlerursachen bewusst zu werden, um aus den Fehlern zu lernen. Maßnahmen der Binnendifferenzierung unterstützen individuelle Lernwege.

Im Zuge der Korrektur und Rückgabe von Klausuren in der Oberstufe sollen bedeutsame oder mehrfach aufgetretene Fehler und deren Ursachen ana-lysiert werden.

72

2.3 Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungsrück-meldung

Auf der Grundlage von § 48 SchulG, § 13 APO-GOSt sowie Kapitel 3 des Kernlehrplans Physik hat die Fachkonferenz im Einklang mit dem entspre-chenden schulbezogenen Konzept die nachfolgenden Grundsätze zur Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung beschlossen. Die nach-folgenden Absprachen stellen die Minimalanforderungen an das lerngrup-penübergreifende gemeinsame Handeln der Fachgruppenmitglieder dar. Bezogen auf die einzelne Lerngruppe kommen ergänzend weitere der in den Folgeabschnitten genannten Instrumente der Leistungsüberprüfung zum Einsatz. Anforderungsbereiche Die Leistungsbewertung in der Sekundarstufe II bezieht sich auf die im Kernlehrplan benannten vier Kompetenzbereiche und unterscheidet dabei in Anlehnung an die EPA Physik jeweils die drei verschiedenen Anforde-rungsbereiche.

Anforderungs-bereich I

Reproduktion und die Anwendung einfacher Sach-verhalte und Fachmethoden

Anforderungs-bereich II

Reorganisation und das Übertragen komplexerer Sachverhalte und Fachmethoden

Anforderungs-bereich III

problembezogenes Anwenden und Übertragen komplexer Sachverhalte und Fachmethoden

Die folgende Übersicht zeigt Beispiele, wie Schülerleistungen den Anfor-derungsbereichen zugeordnet werden können:

Umgang mit Fachwissen

Wiedergeben von einfachen Daten und Fakten (I)

Fachgerechtes Wiedergeben und Anwenden von komplexeren Zu-

sammenhängen (II)

Problembezogenes Verknüpfen von Daten und Fakten mit neuen

Fragestellungen (III)

Wiedergeben von einfachen Gesetzen und Formeln sowie deren

Erläuterung (I)

Verknüpfen von Formeln und Gesetzen eines abgegrenzten Gebie-

tes (II)

Problembezogenes Einordnen und Nutzen von Wissen in verschie-

denen inner- und außerphysikalischen Wissensbereichen (III)

73

Erkenntnisgewinnung

Aufbau und Beschreibung eines einfachen Experiments nach vor-

gelegtem Plan (I)

Selbstständiger Aufbau und Durchführung eines Experiments (II)

Planung, Aufbau und Durchführung eines Experiment zu einer vor-

gegebenen Fragestellung (III)

Auswertung von Ergebnissen nach bekannten, einfachen Verfahren

(I)

Modellbildung und mathematische Beschreibung physikalischer

Phänomene (II)

Entwickeln und beschreiben alternativer Modelle, Modellelemente

und Lösungswege, auch in neuen Kontexten (III)

Kommunikation

Entnehmen von Informationen aus einfachen Fachtexten (I)

Strukturieren von Informationen und adressatengerechte Aufarbei-

tung (II)

Eigenständiges Recherchieren, Strukturieren, Beurteilen und Auf-

arbeiten von Informationen mit Bezug auf neue Fragestellungen

oder Zielsetzungen (III)

Darstellen von Sachverhalten in verschiedenen Darstellungsformen

als Tabellen, Graphen, Skizzen, Texte, Bilder, Diagramme, Mind-

Maps, Concept-Maps, Formeln und Gesetze (I)

Strukturiertes schriftliches oder mündliches Präsentieren komplexer

Sachverhalte (II)

Analysieren und Einsetzen komplexer Texte und Darstellungen

nach eigener Auswahl (III)

Bewertung

Darstellen von Konflikten und ihren Lösungen in wissenschaftlich-

historischen Kontexten (I)

Übertragung bekannter Problemlösungen auf Konflikte mit physika-

lisch-technischem Hintergrund (II)

Angabe möglicher Problemlösungen bei Konflikten mit physikalisch-

technischem Hintergrund (III)

Darstellen von Positionen und Argumenten bei Bewertungen in

physikalisch-technischen Zusammenhängen (I)

Kriteriengeleitetes Abwägen vorliegender Argumente bei Bewer-

tungen in physikalisch-technischen Zusammenhängen und Bezie-

hen eines begründeten Standpunkts (II)

Bewertung komplexer physikalisch-technischer Zusammenhänge

aus verschiedenen Perspektiven und auf der Basis von Sachargu-

menten (III)

74

Überprüfungsformen Die Bewertung ist so vorzunehmen, dass die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit haben, anhand des Kriterienkatalogs die Beurteilung nachzuvollziehen. Besonderes Gewicht wird auf experimentelle Aufgaben und Aufgaben zur Datenanalyse gelegt. Beurteilungsbereich Sonstige Mitarbeit

Folgende Aspekte können bei der Leistungsbewertung der sonstigen Mit-arbeit eine Rolle spielen (die Liste ist nicht abschließend):

Sicherheit, Eigenständigkeit und Kreativität beim Anwenden fach-spezifischer Methoden und Arbeitsweisen

Verständlichkeit und Präzision beim zusammenfassenden Darstel-len und Erläutern von Lösungen einer Einzel-, Partner-, Gruppen-arbeit oder einer anderen Sozialform sowie konstruktive Mitarbeit bei dieser Arbeit

Klarheit und Richtigkeit beim Veranschaulichen, Zusammenfassen und Beschreiben physikalischer Sachverhalte

sichere Verfügbarkeit physikalischen Grundwissens (z. B. physika-lische Größen, deren Einheiten, Formeln, fachmethodische Verfah-ren)

situationsgerechtes Anwenden geübter Fertigkeiten

angemessenes Verwenden der physikalischen Fachsprache

konstruktives Umgehen mit Fehlern

fachlich sinnvoller, sicherheitsbewusster und zielgerichteter Um-gang mit Experimentalmedien

fachlich sinnvoller und zielgerichteter Umgang mit Modellen, Hilfs-mitteln und Simulationen

zielgerichtetes Beschaffen von Informationen

Erstellen von nutzbaren Unterrichtsdokumentationen, ggf. Portfolio

Klarheit, Strukturiertheit, Fokussierung, Zielbezogenheit und Adressatengerechtigkeit von Präsentationen, auch mediengestützt

sachgerechte Kommunikationsfähigkeit in Unterrichtsgesprächen und Kleingruppenarbeiten

Einbringen kreativer Ideen

fachliche Richtigkeit bei kurzen, auf die Inhalte weniger vorange-gangener Stunden beschränkten schriftlichen Überprüfungen

75

Folgende Formulierungen können zur Leistungsbewertung im Rahmen der Sonstigen Mitarbeit herangezogen werden:

sehr gut sehr kontinuierliche, ausgezeichnete Mitarbeit, sehr umfangreiche, pro-

duktive und kreative Beiträge, kommunikationsfördernd, souveräner Ge-

brauch der Fachsprache und souveräne Anwendung der physikalischen

Kenntnisse und Fähigkeiten

gut kontinuierliche, gute Mitarbeit, gute und produktive Beiträge, kommunika-

tionsfördernd, sicherer Gebrauch der Fachsprache und sichere Anwen-

dung der physikalischen Grundkenntnisse

befriedigend durchschnittliche Mitarbeit, kommunikativ, fachlich korrekte Beiträge,

meistens sicherer Gebrauch der Fachsprache und sichere Anwendung der

physikalischen Grundkenntnisse

ausreichend selten eigenständige Beteiligung , fachliche Ungenauigkeiten, auch un-

strukturierte oder unproduktive Beiträge, kann sich grundlegend in der

Fachsprache verständlich machen und physikalische Grundkenntnisse in

der Regel anwenden

mangelhaft nur sporadische Mitarbeit trotz Aufforderung und Hilfsangeboten, ,

schwerwiegende und anhaltende fachliche Defizite, meistens fehlerhafte

oder lückenhafte Anwendung der Fachsprache und der physikalischen

Grundkenntnisse

ungenügend keine Beteiligung trotz Aufforderung und Hilfsangeboten, fehlende fachli-

che Kenntnisse auch in elementaren Grundlagen, kann die Fachsprache

nicht anwenden und sich mit ihr verständlich machen, es ist erkennbar,

dass die Defizite nicht in absehbarer Zeit behoben werden können

76

Beurteilungsbereich Klausuren

Dauer und Anzahl richten sich nach den Angaben der APO-GOSt. In der Einführungsphase soll (in Anzahl und Dauer) das jeweilige dort benannte Minimum gewählt werden.

Die Notenfestsetzung erfolgt nach folgendem Schlüssel:

Leistungsbeurteilung Erreichte Punkte in %

sehr gut ≥85 bis 100

gut ≥70 bis 85

befriedigend ≥55 bis 70

ausreichend ≥40 bis 55

mangelhaft ≥20 bis 40

ungenügend <20

In der Qualifikationsphase werden die Notenpunkte durch äquidistante Unterteilung der Notenbereiche (mit Ausnahme des Bereichs ungenü-gend) erreicht.

In der Regel wird in den Klausuren ein Demonstrations- oder Schülerexpe-riment bearbeitet.

2.4 Lehr- und Lernmittel

Für den Physikunterricht in der Sekundarstufe II ist in der Einführungspha-se das Schulbuch Impulse Physik eingeführt. Im Leistungskursbereich der Qualifikationsphase wird das Schulbuch Metzler Physik verwendet. Im Grundkursbereich der Qualifikationsphase entscheidet die Lehrkraft über die Verwendung des Unterrichtswerks.

Des weiteren wird die Formelsammlung „Das große Tafelwerk“ aus dem Cornelsenverlag verwendet.

77

3 Entscheidungen zu fach – und unterrichtsübergrei-fenden Fragen

Zusammenarbeit mit anderen Fächern

Durch die unterschiedliche Belegung von Fächern können Schülerinnen und Schüler Aspekte aus anderen Kursen mit in den Physikunterricht ein-fließen lassen. Es wird Wert darauf gelegt, dass in bestimmten Fragestel-lungen die Expertise einzelner Schülerinnen und Schüler gesucht wird, die aus einem von ihnen belegten Fach genauere Kenntnisse mitbringen und den Unterricht dadurch bereichern.

Vorbereitung auf die Erstellung der Facharbeit

Um ein einheitliche Grundlage für die Erstellung und Bewertung der Fach-arbeiten in der Jahrgangsstufe Q1 zu gewährleisten, findet im Vorfeld im Rahmen der ITG ein vorbereitender fächerübergreifender Projekttag statt.

Exkursionen

In der gymnasialen Oberstufe sollen in Absprache mit der Stufenleitung nach Möglichkeit unterrichtsbegleitende Exkursionen durchgeführt wer-den. Beispiel für eine solche Exkursion ist der Besuch eines Schülerla-bors.

78

4 Qualitätssicherung und Evaluation

Der Fachbereich Physik leistet einen Beitrag zur Qualitätssicherung und Qualitätsentwicklung durch

die regelmäßige Evaluation von durchgeführten Unterrichtsvorha-ben durch die Fachlehrer, durch die Fachkonferenz und durch Rückmeldungen der Schülerinnen und Schüler sowie von Eltern,

kollegiale Beratung hinsichtlich experimenteller und unterrichtsge-stalterischer Aspekte,

die Überprüfung des Lehrplans hinsichtlich der Umsetzbarkeit und Aktualität der Kontexte,

die perspektivische Anpassung der physikalischen Angebote (ggf. mit außerschulischen Partnern).

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