Physik - gym-gevelsberg.de · Schulinterner Lehrplan des städtischen Gymnasiums Gevelsberg für die gymnasiale Oberstufe Physik

Schulinterner Lehrplan des stdtischen Gymnasiums Gevelsberg

fr die gymnasiale Oberstufe

Physik

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Inhalt

Seite

1 Die Fachgruppe Physik in der Schule XY 3

2 Entscheidungen zum Unterricht 5

2.1 Unterrichtsvorhaben 5

2.1.1 bersichtsraster Unterrichtsvorhaben 7

2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben 14

2.1.2.1 Einfhrungsphase 14

2.1.2.2 Qualifikationsphase: Grundkurs 21

2.1.2.3 Qualifikationsphase: Leistungskurs 37

2.2 Grundstze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe 72

2.3 Grundstze der Leistungsbewertung und Leistungsrckmeldung 74 2.4 Lehr- und Lernmittel 78

3 Entscheidungen zu fach- und unterrichtsbergreifenden Fragen 79

4 Qualittssicherung und Evaluation 80

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1 Die Fachgruppe Physik

Das Gymnasium Gevelsberg befindet sich in einer Grostadt des westli-chen Ruhrgebiets. Zurzeit 90 Lehrerinnen und Lehrer unterrichten etwa 1100 Schlerinnen und Schler, die vorwiegend aus dem Stadtteil des Schulstandorts stammen. Dieser Stadtteil ist von seiner Geschichte her eher industriell geprgt, befindet sich aber in einem Wandel, der noch nicht abgeschlossen ist. Insgesamt ist die Schlerschaft in seiner Zusam-mensetzung eher heterogen.

Auch mit Blick auf diese Zusammensetzung besteht ein wesentliches Leit-ziel der Schule in der individuellen Frderung. Die Fachgruppe Physik versucht in besonderem Mae, jeden Lernenden in seiner Kompetenz-entwicklung mglichst weit zu bringen. Auerdem wird angestrebt, Inte-resse an einem naturwissenschaftlich geprgten Studium oder Beruf zu wecken. In diesem Rahmen sollen u.a. Schlerinnen und Schler mit be-sonderen Strken im Bereich Physik untersttzt werden. Dieses drckt sich z.B. in der Teilnahme von SuS, bzw. Schlergruppen an Wettbewer-ben wie der Physikolympiade. In Kooperation mit der Ruhr-Universitt und der TU Dortmund ermglichen wir besonders begabten Lernenden die Teilnahme an Seminaren. Hier knnen sie sogar schon Leistungsnach-weise erwerben, die ihnen in einem spteren Studium anerkannt werden.

Der Unterricht wird soweit mglich auf der Stufenebene parallelisiert. Auch in der Oberstufe ist der Austausch zu Inhalten, methodischen Her-angehensweisen und zu fachdidaktischen Problemen intensiv. Insbeson-dere in Doppelstunden knnen Experimente in einer einzigen Unterrichts-phase grndlich vorbereitet und ausgewertet werden.

Die Ausstattung mit experimentiergeeigneten Fachrumen und mit Materi-alien ist einigermaen zufriedenstellend. Der Etat fr Neuanschaffungen und Reparaturen ist teilweise nicht ausreichend. Schrittweise sollen mehr Mglichkeiten fr Schlerversuche an geeigneten Stellen geschaffen wer-den und beraltertes Experimentierequipment durch zeitgemes ersetzt werden. Darber hinaus setzen wir Schwerpunkte in der Nutzung von neuen Medien, wozu kollegiumsinterne Fortbildungen angeboten werden. Im Fach Physik gehrt dazu auch die Erfassung von Daten und Messwer-ten mit modernen digitalen Medien. An der Schule existieren drei Compu-terrume, die nach Reservierung auch von Physikkursen fr bestimmte Unterrichtsprojekte genutzt werden knnen.

Das Fach Physik ist in der Regel in der Einfhrungsphase mit zwei Grund-kursen, in der Qualifikationsphase je Jahrgangsstufe mit einem Grundkurs und einem Leistungskurs vertreten. Die Lehrerbesetzung in Physik ermg-

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licht einen ordnungsgemen Fachunterricht in der Sekundarstufe I, auch die Kursangebote in der Oberstufe sind gesichert. In unregelmigen Ab-stnden werden Projektkurse angeboten.

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2 Entscheidungen zum Unterricht

2.1 Unterrichtsvorhaben

Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im schulinternen Lehrplan besitzt den Anspruch, smtliche im Kernlehrplan angefhrten Kompetenzen zu erfassen. Dies entspricht der Verpflichtung jeder Lehrkraft, Lerngelegen-heiten fr ihre Lerngruppe so anzulegen, dass die Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans von den Schlerinnen und Schlern erworben werden knnen.

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

Im bersichtsraster Unterrichtsvorhaben (Kapitel 2.1.1) wird die fr alle Lehrerinnen und Lehrer gem Fachkonferenzbeschluss verbindliche Ver-teilung der Unterrichtsvorhaben dargestellt. Das bersichtsraster dient dazu, den Kolleginnen und Kollegen einen schnellen berblick ber 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 fr die Lehrkrfte herzustellen und die bersichtlichkeit zu gewhrleisten, werden in der Ka-tegorie Kompetenzen an dieser Stelle nur die bergeordneten Kompe-tenzerwartungen ausgewiesen, whrend die konkretisierten Kompe-tenzerwartungen erst auf der Ebene konkretisierter Unterrichtsvorhaben Bercksichtigung finden. Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als grobe Orientierungsgre, die nach Bedarf ber- oder unterschritten wer-den kann. Um Spielraum fr Vertiefungen, besondere Schlerinteressen, aktuelle Themen bzw. die Erfordernisse anderer besonderer Ereignisse (z.B. Praktika, Kursfahrten o..) zu erhalten, wurden im Rahmen dieses schulinternen Lehrplans ca. 75 Prozent der Bruttounterrichtszeit verplant.

Whrend der Fachkonferenzbeschluss zum bersichtsraster Unterrichts-vorhaben einschlielich der dort genannten Kontexte zur Gewhrleistung vergleichbarer Standards sowie zur Absicherung von Lerngruppenbertrit-ten und Lehrkraftwechseln fr alle Mitglieder der Fachkonferenz Bindekraft entfalten soll, besitzt die exemplarische Ausweisung konkretisierter Unter-richtsvorhaben (Kapitel 2.1.2, Tabellenspalten 3 und 4) empfehlenden Charakter, es sei denn, die Verbindlichkeit bestimmter Aspekte ist dort, markiert durch Fettdruck, explizit angegeben. Insbesondere Referendarin-nen und Referendaren sowie neuen Kolleginnen und Kollegen dienen die konkretisierten Unterrichtsvorhaben vor allem zur standardbezogenen Orientierung in der neuen Schule, aber auch zur Verdeutlichung von un-

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terrichtsbezogenen fachgruppeninternen Absprachen zu didaktisch-methodischen Zugngen, fcherbergreifenden Kooperationen, Lernmit-teln und -orten sowie vorgesehenen Leistungsberprfungen, die im Ein-zelnen auch den Kapiteln 2.2 bis 2.4 zu entnehmen sind. Abweichungen von den empfohlenen Vorgehensweisen bezglich der konkretisierten Un-terrichtsvorhaben sind im Rahmen der pdagogischen Freiheit der Lehr-krfte jederzeit mglich. Sicherzustellen bleibt allerdings auch hier, dass im Rahmen der Umsetzung der Unterrichtsvorhaben insgesamt alle Kom-petenzerwartungen des Kernlehrplans Bercksichtigung finden.

2.1.1 bersichtsraster Unterrichtsvorhaben

Unterrichtsvorhaben der Einfhrungsphase

Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte

Physik in Sport und Verkehr Wie lassen sich Bewegungen vermessen und analysieren? Zeitbedarf: 42 Ustd.

Mechanik

Krfte und Bewegungen

Energie und Impuls

E7 Arbeits- und Denkweisen K4 Argumentation E5 Auswertung E6 Modelle UF2 Auswahl

Auf dem Weg in den Weltraum Wie kommt man zu physikalischen Erkenntnis-sen ber unser Sonnensystem? Zeitbedarf: 28 Ustd.

Mechanik

Gravitation


Energie und Impuls

UF4 Vernetzung E3 Hypothesen E6 Modelle E7 Arbeits- und Denkweisen

Schall Wie lsst sich Schall physikalisch untersuchen? Zeitbedarf: 10 Ustd.

Mechanik

Schwingungen und Wellen


Energie und Impuls

E2 Wahrnehmung und Messung UF1 Wiedergabe K1 Dokumentation

Summe Einfhrungsphase: 80 Stunden

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Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q1) GRUNDKURS


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

Quantenobjekte

Photon (Wellenaspekt)

E2 Wahrnehmung und Messung E5 Auswertung K3 Prsentation

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

Quantenobjekte

Elektron (Teilchenaspekt)

UF1 Wiedergabe UF3 Systematisierung E5 Auswertung E6 Modelle

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

Quantenobjekte

Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellen-aspekt)

Quantenobjekte und ihre Eigenschaften

E6 Modelle E7 Arbeits- und Denkweisen K4 Argumentation B4 Mglichkeiten und Grenzen

Energieversorgung und Transport mit Generato-ren und Transformatoren Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden? Zeitbedarf: 18 Ustd.

Elektrodynamik

Spannung und elektrische Energie

Induktion

Spannungswandlung

UF2 Auswahl UF4 Vernetzung E2 Wahrnehmung und Messung E5 Auswertung E6 Modelle K3 Prsentation B1 Kriterien

Wirbelstrme im Alltag Wie kann man Wirbelstrme technisch nutzen? Zeitbedarf: 4 Ustd.

Elektrodynamik

Induktion

UF4 Vernetzung E5 Auswertung B1 Kriterien

Summe Qualifikationsphase (Q1) GRUNDKURS: 56 Stunden

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Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q2) GRUNDKURS


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

Strahlung und Materie

Energiequantelung der Atomhlle

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 Mglichkeiten und Grenzen

Forschung am CERN und DESY Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Zeitbedarf: 6 Ustd.


Standardmodell der Elementarteilchen

UF3 Systematisierung E6 Modelle

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

Relativitt von Raum und Zeit

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Zeitdilatation

UF1 Wiedergabe E6 Modelle

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


Vernderlichkeit der Masse

Energie-Masse quivalenz

UF4 Vernetzung B1 Kriterien

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



Zeitdilatation

Vernderlichkeit der Masse

Energie-Masse quivalenz

E7 Arbeits- und Denkweisen K3 Prsentation

Summe Qualifikationsphase (Q2) GRUNDKURS: 41 Stunden

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Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q1) LEISTUNGSKURS


Satellitennavigation Zeitmessung ist nicht ab-solut Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Zeitbedarf: 6 Ustd.

Relativittstheorie


Problem der Gleichzeitigkeit

UF2 Auswahl E6 Modelle

Hhenstrahlung Warum erreichen Myonen aus der oberen Atmo-sphre die Erdoberflche? Zeitbedarf: 4 Ustd.

Relativittstheorie

Zeitdilatation und Lngenkontraktion

E5 Auswertung K3 Prsentation

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

Relativittstheorie

Relativistische Massenzunahme

Energie-Masse-Beziehung

UF4 Vernetzung B1 Kriterien

Das heutige Weltbild Welchen Beitrag liefert die Relativittstheorie zur Erklrung unserer Welt? Zeitbedarf: 6 Ustd.

Relativittstheorie


Problem der Gleichzeitigkeit

Zeitdilatation und Lngenkontraktion

Relativistische Massenzunahme

Energie-Masse-Beziehung

Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmes-sung

B4 Mglichkeiten und Grenzen

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

Elektrik

Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder

Bewegung von Ladungstrgern in elektrischen und magnetischen Feldern

UF1 Wiedergabe UF2 Auswahl E6 Modelle K3 Prsentation B1 Kriterien B4 Mglichkeiten und Grenzen

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

Elektrik

Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder

Bewegung von Ladungstrgern in elektrischen und magnetischen Feldern

UF2 Auswahl UF4 Vernetzung E1 Probleme und Fragestellungen E5 Auswertung E6 Modelle K3 Prsentation B1 Kriterien B4 Mglichkeiten und Grenzen

Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektri-scher Energie Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden? Zeitbedarf: 22 Ustd.

Elektrik

Elektromagnetische Induktion

UF2 Auswahl E6 Modelle B4 Mglichkeiten und Grenzen

Physikalische Grundlagen der drahtlosen Nach-richtenbermittlung Wie knnen Nachrichten ohne Materietransport bermittelt werden? Zeitbedarf: 28 Ustd.

Elektrik

Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Licht als elektromagnetische Welle

UF1 Wiedergabe UF2 Auswahl E4 Untersuchungen und Experimente E5 Auswertung E6 Modelle K3 Prsentation B1 Kriterien B4 Mglichkeiten und Grenzen

Summe Qualifikationsphase (Q1) LEISTUNGSKURS: 120 Stunden

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Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q2) LEISTUNGSKURS


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

Quantenphysik

Licht und Elektronen als Quantenobjekte

Welle-Teilchen-Dualismus

Quantenphysik und klassische Physik

UF2 Auswahl E6 Modelle E7 Arbeits- und Denkweisen

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

Quantenphysik

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.

Quantenphysik

Welle-Teilchen-Dualismus

UF1 Wiedergabe K3 Prsentation

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

Quantenphysik

Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrschein-lichkeitsinterpretation

Quantenphysik und klassische Physik

UF1 Wiedergabe E7 Arbeits- und Denkweisen

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

Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik

Atomaufbau

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.



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


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 Stunden

2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben

2.1.2.1 Einfhrungsphase

Inhaltsfeld: Mechanik (Eph) Kontext: Physik und Sport

Leitfrage: Wie lassen sich Bewegungen vermessen, analysieren und optimieren?

Inhaltliche Schwerpunkte: Krfte und Bewegungen, Energie und Impuls

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen

(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Vernderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen (K4) physikalische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und berzeugenden Argumenten begrnden bzw. kritisieren. (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen, (UF2)zur Lsung physikalischer Probleme zielfhrend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Gren angemessen und be-grndet auswhlen,

Inhalt (Ustd. 45 min)

Kompetenzen

Die Schlerinnen und Schler

Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise

Beispiel und Be-schreibung von Bewegungen

(2 Ustd.)

stellen nderungen in den Vorstellungen zu Bewegun-gen und zum Sonnensystem beim bergang vom Mit-telalter zur Neuzeit dar (UF3, E7),

Handexperimente zur qualitativen Beobachtung von Fallbewegungen (z. B. Stahlkugel, glattes bzw. zur Kugel zusammengedrcktes Pa-pier, evakuiertes Fallrohr mit Feder und Metallstck, o..)

Analyse alltglicher Bewegungsablufe, Analyse von Kraftwirkungen auf reibungsfreie Krper

Vorstellungen zur Trgheit und zur Fallbewe-gung, Diskussion von Alltagsvorstellungen und physikalischen Konzepten

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Kompetenzen



Beschreibung und Analyse von linea-ren Bewegungen

(16 Ustd.)

unterscheiden gleichfrmige und gleichmig be-schleunigte Bewegungen und erklren zugrundeliegen-de Ursachen (UF2),

vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichge-wichtszustnde durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1),

planen selbststndig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhnge (u.a. zur Analyse von Bewegungen), fhren sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeits-prozesse (E2, E5, B1),

stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Dia-grammen (u. a. t-s- und t-v-Diagramme, Vektordia-gramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen an-gemessen przise dar (K1, K3),

erschlieen und berprfen mit Messdaten und Dia-grammen funktionale Beziehungen zwischen mechani-schen Gren (E5),

bestimmen mechanische Gren mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (u.a. Tabel-lenkalkulation, GTR) (E6),

Analyse, bzw, digitale Videoanaly-se (z.B. mit VIANA) von Bewegun-gen im Sport (Fahrradfahrt o. an-deres Fahrzeug, Sprint, Flug von Bllen)

Luftkissenfahrbahn mit Mess-werterfassung:

Messreihe zur gleichmig be-schleunigten Bewegung

Freier Fall und Bewegung auf ei-ner schiefen Ebene

Wurfbewegungen

Basketball, Korbwurf, Absto beim Fuball, gnstigster Winkel

Einfhrung in die Verwendung von digitaler Vi-deoanalyse (Auswertung von Videosequenzen, Darstellung der Messdaten in Tabellen und Dia-grammen mithilfe einer Software zur Tabellen-kalkulation (z.B. GTR))

Unterscheidung von gleichfrmigen und (belie-big) beschleunigten Bewegungen (insb. auch die gleichmig beschleunigte Bewegung)

Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleich-frmigen Bewegung

Untersuchung gleichmig beschleunigter Be-wegungen im Labor

Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleich-mig beschleunigten Bewegung

Erstellung von t-s- und t-v-Diagrammen (auch mithilfe digitaler Hilfsmittel), die Interpretation und Auswertung derartiger Diagramme sollte intensiv gebt werden.

Planung von Experimenten durch die Schler (Auswertung mithilfe der Videoanalyse)

Schlussfolgerungen bezglich des Einflusses der Krpermasse bei Fallvorgngen, auch die Argumentation von Galilei ist besonders gut geeignet, um Argumentationsmuster in Physik explizit zu besprechen

Wesentlich: Erarbeitung des Superpositions-prinzips (Komponentenzerlegung und Addition vektorieller Gren)

Herleitung der Gleichung fr die Bahnkurve des waagerechten Wurfs, schiefer Wurf optional

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Kompetenzen



Newtonsche Ge-setze, Krfte und Bewegung

(12 Ustd.)

von Aristoteles bis Newton

(2 Ustd.)

berechnen mithilfe des Newtonschen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner oder mehrerer Krfte auf Bewe-gungszustnde und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalitt vorher (E6),

entscheiden begrndet, welche Gren bei der Analyse von Bewegungen zu bercksichtigen oder zu vernach-lssigen sind (E1, E4),

reflektieren Regeln des Experimentierens in der Pla-nung und Auswertung von Versuchen (u. a. Zielorientie-rung, Sicherheit, Variablenkontrolle, Kontrolle von St-rungen und Fehlerquellen) (E2, E4),

geben Kriterien (u.a. Objektivitt, Reproduzierbarkeit, Widerspruchsfreiheit, berprfbarkeit) an, um die Zu-verlssigkeit von Messergebnissen und physikalischen Aussagen zu beurteilen, und nutzen diese bei der Be-wertung von eigenen und fremden Untersuchungen (B1)

entnehmen Kernaussagen zu naturwissenschaftlichen Positionen zu Beginn der Neuzeit aus einfachen histori-schen Texten (K2, K4).

Luftkissenfahrbahn mit Mess-werterfassung:

Messung der Beschleunigung eines Krpers in Abhngigkeit von der beschleunigenden Kraft

Protokolle: Funktionen und An-forderungen

Dorn Bader S.106-107

Kennzeichen von Laborexperimenten im Ver-gleich zu natrlichen Vorgngen besprechen, Ausschalten bzw. Kontrolle bzw. Vernachlssi-gen von Strungen

Erarbeitung des Newtonschen Bewegungsge-setzes

Definition der Kraft als Erweiterung des Kraftbe-griffs aus der Sekundarstufe I.

Berechnung von Krften und Beschleunigungen in Sport und Verkehr

Einfluss von Reibungskrften

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Kompetenzen



Energie und Leis-tung

Impuls

(12 Ustd.)

erlutern die Gren Position, Strecke, Geschwindig-keit, Beschleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie, Impuls und ihre Beziehungen zueinander an unter-schiedlichen Beispielen (UF2, UF4),

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

verwenden Erhaltungsstze (Energie- und Impulsbilan-zen), um Bewegungszustnde zu erklren sowie Be-wegungsgren zu berechnen (E3, E6),

beschreiben eindimensionale Stovorgnge mit Wech-selwirkungen und Impulsnderungen (UF1),

begrnden argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgngen und ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnis-se oder andere objektive Daten heran (K4),

bewerten begrndet die Darstellung bekannter mecha-nischer und anderer physikalischer Phnomene in ver-schiedenen Medien (Printmedien, Filme, Internet) be-zglich ihrer Relevanz und Richtigkeit (K2, K4),

Einsatz des GTR zur Bestimmung des Integrals

Fadenpendel (Schaukel)

Videos (z.B. Stoprozesse, Sport)

Luftkissenfahrbahn mit Messwer-terfassung

Messreihen zu elastischen und unelastischen Sten (Videos zur Auswertung stehen zur Ver-fgung)

Begriffe der Arbeit und der Energie aus der SI aufgreifen und wiederholen

Deduktive Herleitung der Formeln fr die me-chanischen Energiearten aus den Newtonschen Gesetzen und der Definition der Arbeit

Energieerhaltung an Beispielen (Pendel, Ach-terbahn, Halfpipe) erarbeiten und fr Berech-nungen nutzen

Begriff des Impulses und Impuls als Erhaltungs-gre

Elastischer und inelastischer Sto auch an an-schaulichen Beispielen aus dem Sport und Ver-kehr

Hinweis: Erweiterung des Impulsbegriffs am Ende des Kontextes Auf dem Weg in den Welt-raum

42 Ustd. Summe

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Kontext: Auf dem Weg in den Weltraum (Eph) Leitfrage: Wie kommt man zu physikalischen Erkenntnissen ber unser Sonnensystem? Inhaltliche Schwerpunkte: Gravitation, Krfte und Bewegungen, Energie und Impuls

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF4) Zusammenhnge zwischen unterschiedlichen natrlichen bzw. technischen Vorgngen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschlieen und aufzeigen. (E3) mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer berprfung ableiten, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen, (E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Vernderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen.


Kompetenzen



Aristotelisches Weltbild, Koperni-kanische Wende

(3 Ustd.)

stellen nderungen in den Vorstellungen zu Bewegun-gen und zum Sonnensystem beim bergang vom Mit-telalter zur Neuzeit dar (UF3, E7),

Dorn Bader S.106-107: Geozentrisches und heliozentri-sches Planetenmodell

Einstieg ber Film zur Entwicklung des Rake-tenbaus und der Weltraumfahrt

Historie: Verschiedene Mglichkeiten der Inter-pretation der Beobachtungen

Planetenbewegun-gen und Keplersche Gesetze

(5 Ustd.)

ermitteln mithilfe der Keplerschen Gesetze und des Gravitationsgesetzes astronomische Gren (E6),

beschreiben an Beispielen Vernderungen im Weltbild und in der Arbeitsweise der Naturwissenschaften, die durch die Arbeiten von Kopernikus, Kepler, Galilei und Newton initiiert wurden (E7, B3).

Sternkarte und aktuelle astronomi-sche Tabellen

Animationen zur Darstellung der Planetenbewegungen

Orientierung am Himmel

Tycho Brahes Messungen, Keplers Schlussfol-gerungen

Benutzung geeigneter Apps

Newtonsches Gra-vitationsgesetz, Gravitationsfeld

(6 Ustd.)

beschreiben Wechselwirkungen im Gravitationsfeld und verdeutlichen den Unterschied zwischen Feldkonzept und Kraftkonzept (UF2, E6),

Arbeit mit dem Lehrbuch, Recher-che im Internet

Newtonsches Gravitationsgesetz als Zusam-menfassung bzw. quivalent der Keplerschen Gesetze

Anwendung des Newtonschen Gravitationsge-setzes und der Keplerschen Gesetze zur Be-rechnung von Satellitenbahnen

Feldbegriff diskutieren, Definition der Feldstrke ber Messvorschrift Kraft auf Probekrper

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Kompetenzen



Kreisbewegungen

(8 Ustd.)

analysieren und berechnen auftretende Krfte bei Kreisbewegungen (E6),

Messung der Zentralkraft

An dieser Stelle sollen das ex-perimentell-erkundende Verfah-ren und das deduktive Verfahren zur Erkenntnisgewinnung am Beispiel der Herleitung der Glei-chung fr die Zentripetalkraft als zwei wesentliche Erkenntnisme-thoden der Physik bearbeitet werden.

Beschreibung von gleichfrmigen Kreisbewe-gungen, Winkelgeschwindigkeit, Periode, Bahn-geschwindigkeit, Frequenz

Experimentell-erkundende Erarbeitung der For-meln fr Zentripetalkraft und Zentripetalbe-schleunigung:

Herausstellen der Notwendigkeit der Konstant-haltung der restlichen Gren bei der experi-mentellen Bestimmung einer von mehreren an-deren Gren abhngigen physikalischen Gr-e (hier bei der Bestimmung der Zentripetalkraft in Abhngigkeit von der Masse des rotierenden Krpers)

Ergnzend: Deduktion der Formel fr die Zentri-petalbeschleunigung

Massenbestimmungen im Planetensystem, Fluchtgeschwindigkeiten

Bahnen von Satelliten und Planeten

Impuls und Impul-serhaltung, Rck-sto

(6 Ustd.)

verwenden Erhaltungsstze (Energie- und Impulsbilan-zen), um Bewegungszustnde zu erklren sowie Be-wegungsgren zu berechnen (E3, E6),

erlutern unterschiedliche Positionen zum Sinn aktuel-ler Forschungsprogramme (z.B. Raumfahrt, Mobilitt) und beziehen Stellung dazu (B2, B3).

Skateboards und Medizinball

Wasserrakete

Raketentriebwerke fr Modellrake-ten

Recherchen zu aktuellen Projekten von ESA und DLR, auch zur Fi-nanzierung

Impuls und Rcksto

Bewegung einer Rakete im luftleeren Raum

Untersuchungen mit einer Wasserrakete, Simu-lation des Fluges einer Rakete in einer Tabel-lenkalkulation

Debatte ber wissenschaftlichen Wert sowie Kosten und Nutzen ausgewhlter Programme

28 Ustd. Summe

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Kontext: Schall (Eph)

Leitfrage: Wie lsst sich Schall physikalisch untersuchen?

Inhaltliche Schwerpunkte: Schwingungen und Wellen, Krfte und Bewegungen, Energie und Impuls

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen fr Beobachtungen und Messungen erlutern und sachgerecht verwenden, (UF1) physikalische Phnomene und Zusammenhnge unter Verwendung von Theorien, bergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erlutern, (K1) Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren, auch mit Untersttzung digita-ler Werkzeuge


Kompetenzen



Entstehung und Ausbreitung von Schall

(4 Ustd.)

erklren qualitativ die Ausbreitung mechanischer Wel-len (Transversal- oder Longitudinalwelle) mit den Ei-genschaften des Ausbreitungsmediums (E6),

Stimmgabeln, Lautsprecher, Fre-quenzgenerator, Frequenzmess-gert, Schallpegelmesser, ruge-schwrzte Glasplatte, Schreib-stimmgabel, Klingel und Vakuum-glocke

Erarbeitung der Grundgren zur Beschreibung von Schwingungen und Wellen:

Frequenz (Periode) und Amplitude mittels der Hreindrcke des Menschen

Modelle der Wellen-ausbreitung

(4 Ustd.)

beschreiben Schwingungen und Wellen als Strungen eines Gleichgewichts und identifizieren die dabei auftre-tenden Krfte (UF1, UF4),

Lange Schraubenfeder, Wellen-wanne

Entstehung von Longitudinal- und Transversal-wellen

Ausbreitungsmedium, Mglichkeit der Ausbrei-tung longitudinaler. bzw. transversaler Schall-wellen in Gasen, Flssigkeiten und festen Kr-pern

Erzwungene Schwingungen und Resonanz

(2 Ustd.)

erlutern das Auftreten von Resonanz mithilfe von Wechselwirkung und Energie (UF1).

Stimmgabeln, Federpendel mit Erregung ber Excenter

Resonanz (auch Tacoma-Bridge, Millennium-Bridge)

Resonanzkrper von Musikinstrumenten

10 Ustd. Summe

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2.1.2.2 Qualifikationsphase: Grundkurs

Inhaltsfeld: Quantenobjekte (GK) Kontext: Erforschung des Photons (GK) Leitfrage: Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben und erklrt werden? Inhaltliche Schwerpunkte: Photon (Wellenaspekt)

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen fr Beobachtungen und Messungen erlutern und sachgerecht verwenden, (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht prsentieren,


Kompetenzen



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

(7 Ustd.)

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

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

Doppelspalt und Gitter, Wellen-wanne

quantitative Experimente mit La-serlicht

Ausgangspunkt: Beugung von Laserlicht

Modellbildung mit Hilfe der Wellenwanne (ggf. als Schlerprsentation)

Bestimmung der Wellenlngen von Licht mit Doppelspalt und 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, Wellenlnge und Frequenz von Photonen sowie die Austrittsarbeit der Elektronen (E5, E2),

Photoeffekt

Hallwachsversuch

Vakuumphotozelle

Roter Faden: Von Hallwachs bis Elektronen-beugung

Bestimmung des Planckschen Wirkungsquan-tums und der Austrittsarbeit

Hinweis: Formel fr die max. kinetische Energie der Photoelektronen wird zunchst vorgegeben.

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

14 Ustd. Summe

22

Kontext: Erforschung des Elektrons (GK) Leitfrage: Wie knnen physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden? Inhaltliche Schwerpunkte: Elektron (Teilchenaspekt)

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF1) physikalische Phnomene und Zusammenhnge unter Verwendung von Theorien, bergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erlutern, (UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren, (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen,


Kompetenzen Die Schlerinnen und Schler

Experiment / Medium Kommentar

Elementarladung

(5 Ustd.)

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

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

schwebender Wattebausch

Millikanversuch

Schwebefeldmethode (keine Stokessche Reibung)

Auch als Simulation mglich

Begriff des elektrischen Feldes in Analogie zum Gra-vitationsfeld besprechen, Definition der Feldstrke ber die Kraft auf einen Probekrper, in diesem Fall die Ladung

Homogenes elektrisches Feld im Plattenkondensator, Zusammenhang zwischen Feldstrke im Plattenkon-densator, Spannung und Abstand der Kondensator-platten vorgeben und durch Auseinanderziehen der geladenen Platten demonstrieren

Elektronenmasse

(7 Ustd.)

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

bestimmen die Geschwindigkeitsnderung eines Ladungstrgers nach Durchlaufen einer elektrischen Spannung (UF2),

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

e/m-Bestimmung mit dem Fa-denstrahlrohr und Helmholtz-spulenpaar

auch Ablenkung des Strahls mit Permanentmagneten (Lorentz-kraft)

Stromwaage

Messung der Strke von Mag-netfeldern mit der Hallsonde

Einfhrung der 3-Finger-Regel und Angabe der Glei-chung fr die Lorentzkraft:

Einfhrung des Begriffs des magnetischen Feldes (in Analogie zu den beiden anderen Feldern durch Kraft auf Probekrper, in diesem Fall bewegte Ladung oder stromdurchflossener Leiter) und des Zusammen-hangs zwischen magnetischer Kraft, Leiterlnge und Stromstrke.

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

23

Streuung von Elektronen an Festkrpern, de Broglie-Wellenlnge

(3 Ustd.)

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

Experiment zur Elektronen-beugung

Veranschaulichung der Bragg-Bedingung analog zur Gitterbeugung

15 Ustd. Summe

24

Kontext: Photonen und Elektronen als Quantenobjekte (GK) Leitfrage: Kann das Verhalten von Elektronen und Photo-nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben werden? Inhaltliche Schwerpunkte: Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellenaspekt), Quantenobjekte und ihre Eigenschaften

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen, (E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Vernderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen. (K4) sich mit anderen ber physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse kritisch-konstruktiv austauschen und dabei Behauptungen oder Beurteilungen durch Argumente belegen bzw. widerlegen. (B4) begrndet die Mglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlsungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.




Licht und Materie

(5 Ustd.)

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

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

zeigen an Beispielen die Grenzen und Gltigkeitsbe-reiche von Wellen- und Teilchenmodellen fr 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 fr die Entwicklung der Quantenphysik

5 Ustd. Summe

25

Inhaltsfeld: Elektrodynamik (GK) Kontext: Energieversorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren (GK) Leitfrage: Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden? Inhaltliche Schwerpunkte: Spannung und elektrische Energie, Induktion, Spannungswandlung

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF2) zur Lsung physikalischer Probleme zielfhrend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Gren angemessen und be-grndet auswhlen, (UF4) Zusammenhnge zwischen unterschiedlichen natrlichen bzw. technischen Vorgngen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschlieen und aufzeigen. (E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen fr Beobachtungen und Messungen erlutern und sachgerecht verwenden, (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen, (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht prsentieren, (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begrndet ge-wichten,

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



Wandlung von me-chanischer in elekt-rische Energie:

Elektromagnetische Induktion

Induktionsspannung

(5 Ustd.)

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

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

bestimmen die relative Orientierung von Bewe-gungsrichtung eines Ladungstrgers, 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 Spannungsmessger-ten (nicht nur an der Leiter-schaukel)

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

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

Definition der Spannung und Erluterung anhand von Beispielen fr Energieumwandlungsprozesse bei Ladungstransporten, Anwendungsbeispiele.

Das Entstehen einer Induktionsspannung bei beweg-tem Leiter im Magnetfeld wird mit Hilfe der Lorentz-kraft erklrt, eine Beziehung zwischen Induktions-spannung, Leitergeschwindigkeit und Strke des Magnetfeldes wird (deduktiv) hergeleitet.

Die an der Leiterschaukel registrierten (zeitabhngi-gen) Induktionsspannungen werden mit Hilfe der her-geleiteten Beziehung auf das Zeit-Geschwindigkeit-Gesetz des bewegten Leiters zurckgefhrt.

26

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



Technisch praktikab-le Generatoren:

Erzeugung sinusfr-miger Wechselspan-nungen

(4 Ustd.)

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

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

Internetquellen, Lehrbcher, Firmeninformationen, Filme und Applets zum Generatorprinzip

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

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

erlutern das Entstehen sinusfrmiger Wechsel-spannungen in Generatoren (E2, E6),

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

fhren Induktionserscheinungen an einer Leiter-schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen zeitlich vernderliches Magnetfeld bzw. zeitlich vernderliche (effektive) Flche zurck (UF3, UF4),

Messung und Registrierung von Induktionsspannungen mit Oszilloskop und/oder digitalem Messwerterfassungssystem

Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und zeitlicher Vernderung der senkrecht vom Mag-netfeld durchsetzten Flche wird deduktiv erschlos-sen.

27

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



Nutzbarmachung elektrischer Energie durch Transforma-tion

Transformator

(5 Ustd.)

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

ermitteln die bersetzungsverhltnisse von Span-nung, Stromstrke beim Transformator (UF1, UF2).

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

werten Messdaten, im Hinblick auf Zeiten, Frequen-zen und Spannungen aus (E2, E5).

fhren Induktionserscheinungen an einer Leiter-schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen zeitlich vernderliches Magnetfeld bzw. zeitlich vernderliche (effektive) Flche zurck (UF3, UF4),

diverse Netzteile von Elektro-Kleingerten (mit klassischem Transformator)

Internetquellen, Lehrbcher, Firmeninformationen Demo-Aufbautransformator mit geeigneten Messgerten

ruhende Induktionsspule in wechselstromdurchflossener Feldspule - mit Messwerterfas-sungssystem zur zeitaufgelsten Registrierung der Induktions-spannung und des zeitlichen Verlaufs der Strke des magne-tischen Feldes

Der Transformator wird eingefhrt und die berset-zungsverhltnisse der Spannungen experimentell ermittelt. Dies kann auch durch einen Schlervortrag erfolgen (experimentell und medial gesttzt).

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

Die registrierten Messdiagramme werden von den SuS eigenstndig ausgewertet.

Energieerhaltung

Ohmsche Verluste

(4 Ustd.)

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

bewerten die Notwendigkeit eines geeigneten Transformierens der Wechselspannung fr die ef-fektive bertragung elektrischer Energie ber groe 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 Mg-lichkeiten zur bertragung elektrischer Energie ber groe Entfernungen (B2, B1, B4).

Modellexperiment (z.B. mit Hilfe von Aufbautransformatoren) zur Energiebertragung und zur Bestimmung der Ohmschen Verluste bei der bertragung elektrischer Energie bei unter-schiedlich hohen Spannungen

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

18 Ustd. Summe

28

Kontext: Wirbelstrme im Alltag (GK) Leitfrage: Wie kann man Wirbelstrme technisch nutzen? Inhaltliche Schwerpunkte: Induktion

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF4) Zusammenhnge zwischen unterschiedlichen natrlichen bzw. technischen Vorgngen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschlieen und aufzeigen. (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begrndet ge-wichten,

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



Lenzsche Regel

(4 Ustd.)

erlutern anhand des Thomsonschen Ringver-suchs die Lenzsche Regel (E5, UF4),

bewerten bei technischen Prozessen das Auftreten erwnschter bzw. nicht erwnschter Wirbelstrme (B1),

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

Thomsonscher Ringversuch

diverse technische und spieleri-sche Anwendungen, z.B. Dmp-fungselement an einer Przisi-onswaage, Wirbelstrombremse, fallender Magnet im Alu-Rohr.

Ausgehend von kognitiven Konflikten bei den Ring-versuchen wird die Lenzsche Regel erarbeitet

Erarbeitung von Anwendungsbeispielen zur Lenzschen Regel (z.B. Wirbelstrombremse bei Fahr-zeugen oder an der Kreissge)

4 Ustd. Summe

Inhaltsfeld: Strahlung und Materie (GK)

Kontext: Erforschung des Mikro- und Makrokosmos (GK) Leitfrage: Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der Materie? Inhaltliche Schwerpunkte: Energiequantelung der Atomhlle, Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF1) physikalische Phnomene und Zusammenhnge unter Verwendung von Theorien, bergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erlutern, (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen fr Beobachtungen und Messungen erlutern und sachgerecht verwenden,


Kompetenzen



Kern-Hlle-Modell

(2 Ustd.)

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

Literaturrecherche, Schulbuch Ausgewhlte Beispiele fr Atommodelle

Energieniveaus der Atomhlle

(2 Ustd.)

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

Erzeugung von Linienspektren mithilfe von Gasentladungslam-pen

Deutung der Linienspektren

Quantenhafte Emis-sion und Absorption von Photonen

(3 Ustd.)

erlutern die Bedeutung von Flammenfrbung und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis-se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte-ristischen Rntgenspektren fr die Entwicklung von Modellen der diskreten Energiezustnde von Elekt-ronen in der Atomhlle (E2, E5, E6, E7),

Franck-Hertz-Versuch Es kann das Bohrsche Atommodell angesprochen werden (ohne Rechnungen)

Rntgenstrahlung

(4 Ustd.)

erlutern die Bedeutung von Flammenfrbung und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis-se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte-ristischen Rntgenspektren fr die Entwicklung von Modellen der diskreten Energiezustnde von Elekt-ronen in der Atomhlle (E2, E5, E6, E7),

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

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

Mgliche Ergnzungen: Bremsspektrum mit h-Bestimmung / Bragg-Reflexion

30


Kompetenzen



Sternspektren und Fraunhoferlinien

(2 Ustd.)

interpretieren Spektraltafeln des Sonnenspektrums im Hinblick auf die in der Sonnen- und Erdat-mosphre vorhandenen Stoffe (K3, K1), erklren Sternspektren und Fraunhoferlinien (UF1, E5, K2), stellen dar, wie mit spektroskopischen Methoden Informationen ber die Entstehung und den Aufbau des Weltalls gewonnen werden knnen (E2, K1),

Flammenfrbung

Darstellung des Sonnenspekt-rums mit seinen Fraunhoferli-nien

Spektralanalyse

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

13 Ustd. Summe

31

Kontext: Mensch und Strahlung (GK) Leitfrage: Wie wirkt Strahlung auf den Menschen? Inhaltliche Schwerpunkte: Kernumwandlungen, Ionisierende Strahlung, Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF1) physikalische Phnomene und Zusammenhnge unter Verwendung von Theorien, bergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erlutern, (B3) an Beispielen von Konfliktsituationen mit physikalisch-technischen Hintergrnden kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und bewerten, (B4) begrndet die Mglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlsungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.


Kompetenzen



Strahlungsarten

(2 Ustd.)

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

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

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

Recherche

Absorptionsexperimente zu

-, -, -Strahlung

Wiederholung und Vertiefung aus der Sek. I

Elementumwandlung

(1 Ustd.)

erlutern den Begriff Radioaktivitt und beschreiben zugehrige Kernumwandlungsprozesse (UF1, K1), Nuklidkarte

Detektoren

(3 Ustd.)

erlutern den Aufbau und die Funktionsweise von Nachweisgerten fr ionisierende Strahlung (Geiger-Mller-Zhlrohr) und bestimmen Halbwertszeiten und Zhlraten (UF1, E2),

Geiger-Mller-Zhlrohr An dieser Stelle knnen Hinweise auf Halb-leiterdetektoren gegeben werden.

32


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 ber wesentliche biologisch-medizinische Anwendungen und Wirkungen von ioni-sierender Strahlung fr unterschiedliche Adressaten auf (K2, K3, B3, B4),

begrnden in einfachen Modellen wesentliche biolo-gisch-medizinische Wirkungen von ionisierender Strahlung mit deren typischen physikalischen Eigen-schaften (E6, UF4), erlutern das Vorkommen knstlicher und natrlicher Strahlung, ordnen deren Wirkung auf den Menschen mithilfe einfacher dosimetrischer Begriffe ein und bewerten Schutzmanahmen 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 Abwgung 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.

Erluterung von einfachen dosimetrischen Be-griffe: Aktivitt, Energiedosis, quivalentdosis

9 Ustd. Summe

33

Kontext: Forschung am CERN und DESY (GK) Leitfrage: Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Inhaltliche Schwerpunkte: Standardmodell der Elementarteilchen

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen,


Kompetenzen



Kernbausteine und Elementarteilchen

(4 Ustd.)

erlutern mithilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine und erklren mit ihm Ph-nomene der Kernphysik (UF3, E6),

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

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

In diesem Bereich sind i. d. R. kei-ne Realexperimente fr Schulen mglich.

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

Mgliche 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 fr die elektromagnetische Wechselwirkung exemplarisch fr 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

34

Inhaltsfeld: Relativitt von Raum und Zeit (GK) Kontext: Navigationssysteme (GK) Leitfrage: Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF1) physikalische Phnomene und Zusammenhnge unter Verwendung von Theorien, bergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erlutern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen,


Kompetenzen



Relativitt der Zeit

(5 Ustd.)

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

erklren anschaulich mit der Lichtuhr grundlegende Prinzipien der speziellen Relativittstheorie und ermit-teln quantitativ die Formel fr die Zeitdilatation (E6, E7),

erlutern qualitativ den Myonenzerfalls in der Erdat-mosphre als experimentellen Beleg fr die von der Relativittstheorie vorhergesagte Zeitdilatation (E5, UF1).

erlutern die relativistische Lngenkontraktion ber eine Plausibilittsbetrachtung (K3),

begrnden mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergren-ze fr Geschwindigkeiten von Objekten, dass eine additive berlagerung von Geschwindigkeiten nur fr kleine Geschwindigkeiten gilt (UF2),

erlutern die Bedeutung der Konstanz der Lichtge-schwindigkeit als Ausgangspunkt fr die Entwicklung der speziellen Relativittstheorie (UF1),

Experiment von Michelson und Morley (Computersimulation)

Lichtuhr (Gedankenexperiment / Computersimulation)

Myonenzerfall

Ausgangsproblem: Exaktheit der Positionsbe-stimmung mit Navigationssystemen

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

Herleitung der Formel fr die Zeitdilatation am Beispiel einer bewegten Lichtuhr.

Der Myonenzerfall in der Erdatmosphre dient als experimentelle Besttigung der Zeitdilatati-on. Betrachtet man das Bezugssystem der My-onen als ruhend, kann die Lngenkontraktion der Atmosphre plausibel gemacht werden.

Die Formel fr die Lngenkontraktion wird an-gegeben.

5 Ustd. Summe

35

Kontext: Teilchenbeschleuniger (GK) Leitfrage: Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Inhaltliche Schwerpunkte: Vernderlichkeit der Masse, Energie-Masse quivalenz

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF4) Zusammenhnge zwischen unterschiedlichen natrlichen bzw. technischen Vorgngen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschlieen und aufzeigen. (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begrndet ge-wichten,


Kompetenzen



Schnelle Ladungs-trger in E- und B-Feldern

(2 Ustd.)

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

Zyklotron (in einer Simulation mit und ohne Massenvernderlichkeit)

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.)

erlutern die Energie-Masse quivalenz (UF1).

zeigen die Bedeutung der Beziehung E=mc2 fr die

Kernspaltung und -fusion auf (B1, B3)

Film / Video Die Formeln fr die dynamische Masse und E=mc

2 werden als deduktiv herleitbar angege-

ben.

Erzeugung und Vernichtung von Teilchen,

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

6 Ustd. Summe

36

Kontext: Das heutige Weltbild (GK) Leitfrage: Welchen Beitrag liefert die Relativittstheorie zur Erklrung unserer Welt? Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation, Vernderlichkeit der Masse, Energie-Masse quivalenz

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Vernderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen. (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht prsentieren,


Kompetenzen



Gegenseitige Bedin-gung von Raum und Zeit

(2 Ustd.)

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

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

Lehrbuch, Film / Video

2 Ustd. Summe

37

2.1.2.3 Qualifikationsphase: Leistungskurs

Inhaltsfeld: Relativittstheorie (LK) Kontext: Satellitennavigation Zeitmessung ist nicht absolut (LK) Leitfrage: Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Problem der Gleichzeitigkeit

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF2) zur Lsung physikalischer Probleme zielfhrend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Gren angemessen und be-grndet auswhlen, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen,




Konstanz der Licht-geschwindigkeit und Problem der Gleichzei-tigkeit

Inertialsysteme

Relativitt der Gleich-zeitigkeit

(4 Ustd.)

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

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

begrnden mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze fr Geschwindigkeiten von Objekten Auswirkungen auf die additive berlagerung von Geschwindigkeiten (UF2).

Experiment von Michelson und Morley (Computersimulation)

Relativitt der Gleichzeitig-keit (Video / Film)

Ausgangsproblem: Exaktheit der Positionsbestimmung mit Navigationssystemen

Begrndung der Hypothese von der Konstanz der Lichtge-schwindigkeit mit dem Ausgang des Michelson- und Mor-ley-Experiments (Computersimulation).

Das Additionstheorem fr relativistische Geschwindigkeiten kann ergnzend ohne Herleitung angegeben werden.

4 Ustd. Summe

38

Kontext: Hhenstrahlung (LK) Leitfrage: Warum erreichen Myonen aus der oberen Atmosphre die Erdoberflche? Inhaltliche Schwerpunkte: Zeitdilatation und Lngenkontraktion

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht prsentieren,




Zeitdilatation und rela-tivistischer Faktor

(6 Ustd.)

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

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

erlutern die Bedeutung der Konstanz der Licht-geschwindigkeit als Ausgangspunkt fr die Ent-wicklung der speziellen Relativittstheorie (UF1)

Lichtuhr (Gedankenexperi-ment / Computersimulation)

Myonenzerfall (Experimente-pool der Universitt)

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

Flug von Atomuhren um die Erde (Video)

Mit der Lichtuhr wird der relativistische Faktor hergeleitet.

Der Myonenzerfall in der Erdatmosphre dient als eine experimentelle Besttigung der Zeitdilatation.

Elemente des Kontextes Satellitennavigation knnen ge-nutzt werden, um sowohl die Zeitdilatation (infolge der un-terschiedlichen Geschwindigkeiten der Satelliten) als auch die Gravitationswirkung (infolge ihres Aufenthalts an ver-schiedenen Orten im Gravitationsfeld der Erde) zu verdeut-lichen.

Lngenkontraktion

(2 Ustd.)

begrnden den Ansatz zur Herleitung der Ln-genkontraktion (E6),

erlutern die relativistischen Phnomene Zeitdi-latation und Lngenkontraktion anhand des Nachweises von in der oberen Erdatmosphre entstehenden Myonen (UF1),

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

Myonenzerfall (Experimente-pool der Universitt)

Der Myonenzerfall dient als experimentelle Besttigung der Lngenkontraktion (im Vergleich zur Zeitdilatation) s. o.

Herleitung der Formel fr die Lngenkontraktion

8 Ustd. Summe

39

Kontext: Teilchenbeschleuniger Warum Teilchen aus dem Takt geraten (LK) Leitfrage: Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Inhaltliche Schwerpunkte: Relativistische Massenzunahme, Energie-Masse-Beziehung

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF4) Zusammenhnge zwischen unterschiedlichen natrlichen bzw. technischen Vorgngen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschlieen und aufzeigen. (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begrndet ge-wichten,




Schnelle Ladungs-trger in E- und B-Fel-dern

(4 Ustd.)

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

Bertozzi-Experiment (anhand von Literatur)

Hier wrde sich eine Schlerprsentation des Bertozzi-Experiments anbieten.

Der Einfluss der Massenzunahme wird in einer Simulation durch das Aus-dem-Takt-Geraten eines beschleunigten Teilchens im Zyklotron ohne Rechnung veranschaulicht.

Die Formel fr die dynamische Masse wird als deduktiv herleitbar angegeben.

Ruhemasse und dy-namische Masse

(2 Ustd.)

erlutern die Energie-Masse-Beziehung (UF1)

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

Die Differenz aus dynamischer Masse und Ruhemasse wird als Ma fr die kinetische Energie eines Krpers identifi-ziert.

Bindungsenergie im Atomkern

Annihilation

(2 Ustd.)

beschreiben die Bedeutung der Energie-Masse-quivalenz 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

fr 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.

Es knnen Filme zu Hiroshima und Nagasaki eingesetzt werden.

Erzeugung und Vernichtung von Teilchen

8 Ustd. Summe

40

Kontext: Das heutige Weltbild (LK) Leitfrage: Welchen Beitrag liefert die Relativittstheorie zur Erklrung unserer Welt? Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Problem der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation und Lngenkontraktion, Relativistische Massenzunahme, Energie-Masse-Beziehung, Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (B4) begrndet die Mglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlsungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.




Gegenseitige Bedingung von Raum und Zeit

(2 Ustd.)

bewerten Auswirkungen der Relativittstheorie auf die Vernderung des physikalischen Weltbilds (B4).

Lehrbuchtexte, Internetrecherche Ggf. Schlervortrag

Die Gleichheit von trger und schwerer Masse (im Rahmen der heutigen Messgenauig-keit)

(4 Ustd.)

veranschaulichen mithilfe eines einfachen gegenstndlichen Modells den durch die Einwirkung von massebehafteten Krpern hervorgeru-fenen Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung sowie die Krmmung des Raums (K3).

Einsteins Fahrstuhl-Gedanken-experiment

Das Zwillingsparadoxon (mit Be-schleunigungsphasen und Phasen der gleichfrmigen Bewegung

Film / Video

An dieser Stelle knn-te eine Schlerpr-sentation erfolgen (mithilfe der Nutzung von Informationen und Animationen aus dem Internet)

6 Ustd. Summe

41

Inhaltsfeld: Elektrik (LK) Kontext: Untersuchung von Elektronen (LK) Leitfrage: Wie knnen physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden? Inhaltliche Schwerpunkte: Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder, Bewegung von Ladungstrgern in elektrischen und magnetischen Feldern

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF1) physikalische Phnomene und Zusammenhnge unter Verwendung von Theorien, bergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erlutern, (UF2) zur Lsung physikalischer Probleme zielfhrend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Gren angemessen und be-grndet auswhlen, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen, (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht prsentieren, (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begrndet ge-wichten, (B4) begrndet die Mglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlsungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



Grundlagen:

Ladungstrennung,

Ladungstrger

(4 Ustd.)

erklren elektrostatische Phnomene und Influenz mithilfe grundlegender Eigenschaften elektrischer Ladungen (UF2, E6),

einfache Versuche zur Rei-bungselektrizitt Anziehung / Abstoung,

halbquantitative Versuche mit Hilfe eines Elektrometerverstr-kers: Zwei aneinander geriebene Kunststoffstbe aus unter-schiedlichen Materialien tragen betragsmig gleiche, aber entgegengesetzte Ladungen, Influenzversuche

An dieser Stelle sollte ein Rckgriff auf die S I erfol-gen.

Das Elektron soll als (ein) Trger der negativen La-dung benannt und seine Eigenschaften untersucht werden.

42

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



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 erlutern die Definitionsgleichungen der entspre-chenden Feldstrken (UF2, UF1),

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

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

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

Skizzen zum prinzipiellen Auf-bau des Millikanversuchs, realer Versuchsaufbau oder entsprechende Medien (z. B: RCL (remote control labo-ratory),

einfache Versuche und visuelle Medien zur Veranschaulichung elektrischer Felder im Feldlini-enmodell,

Plattenkondensator (homoge-nes E-Feld),

evtl. Apparatur zur Messung der Feldstrke gem der Definition,

Spannungsmessung am Plat-tenkondensator,

Bestimmung der Elementarla-dung mit dem Millikanversuch

Die Versuchsidee eines Millikanversuchs wird er-arbeitet.

Der Begriff des elektrischen Feldes und das Feldli-nienmodell werden eingefhrt.

Die elektrische Feldstrke in einem Punkt eines elektrischen Feldes, der Begriff homogenes Feld und die Spannung werden definiert.

Zusammenhang zwischen E und U im homogenen Feld

Bestimmung der Elementarladung mit Diskussion der Messgenauigkeit

An dieser Stelle sollten bungsaufgaben erfolgen, z.B. auch zum Coulombschen Gesetz. Dieses kann auch nur per Plausibilittsbetrachtung eingefhrt werden.

43

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



Bestimmung der Masse eines Elekt-rons:

magnetische Felder, Feldlinien,

potentielle Energie im elektrischen Feld, Energie bewegter Ladungstrger,

Elektronenmasse

(10 Ustd.)

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

treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen fr die Auswahl von Messgerten (Empfindlichkeit, Genau-igkeit, Auflsung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung (B1),

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

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

Fadenstrahlrohr (zunchst) zur Erarbeitung der Versuchsidee,

Stromwaage zur Demonstrati-on der Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld sowie zur Veran-schaulichung der Definition der magnetischen Feldstrke,

Versuche mit z.B. Oszilloskop, Fadenstrahlrohr, altem (Mono-chrom-) Rhrenmonitor o. . zur Demonstration der Lorentzkraft,

Fadenstrahlrohr zur e/m Bestimmung

Die Frage nach der Masse eines Elektrons fhrt zu weiteren berlegungen.

Als Versuchsidee wird (evtl. in Anlehnung an astro-nomischen Berechnungen in der EF) die Auswer-tung der Daten einer erzwungenen Kreisbewegung des Teilchens erarbeitet.

Dazu wird der Begriff des magnetischen Feldes eingefhrt sowie die Veranschaulichung magneti-scher Felder (inkl. Feldlinienmodell) erarbeitet.

Definition der magnetischen Feldstrke, Definition des homogenen Magnetfeldes,

Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld, Herleitung der Formel fr die Lorentzkraft,

44

Inhalt

(Ustd. 45 min)

Kompetenzen



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

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

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

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

leiten physikalische Gesetze (Term fr die Lorentz-kraft) aus geeigneten Definitionen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2),

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

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

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

24 Ustd. Summe

45

Kontext: Aufbau und Funktionsweise wichtiger Versuchs- und Messapparaturen (LK) Leitfrage: Wie und warum werden physikalische Gren meistens elektrisch erfasst und wie werden sie verarbeitet? Inhaltliche Schwerpunkte: Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder ,Bewegung von Ladungstrgern in elektrischen und magnetischen Feldern

Kompetenzschwerpunkte: Schlerinnen und Schler knnen (UF2) zur Lsung physikalischer Probleme zielfhrend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Gren angemessen und be-grndet auswhlen, (UF4) Zusammenhnge zwischen unterschiedlichen natrlichen bzw. technischen Vorgngen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschlieen und aufzeigen. (E1) in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizieren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen przisieren, (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhnge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklren oder vorhersagen, (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht prsentieren, (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begrndet ge-wichten, (B4) begrndet die Mglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlsungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.

46


Kompetenzen



Anwendungen in Forschung und Technik:

Bewegung von La-dungstrgern in Fel-dern

(12 Ustd.)

beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung von Ladungstrgern 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 Elektronenstrahlrhre (UF1, K3),

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

schlieen aus spezifischen Bahnkurvendaten beim Massenspektrometer auf wirkende Krfte sowie Eigen-schaften von Feldern und bewegten Ladungstrgern, (E5, UF2),

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

erlutern den Einfluss der relativistischen Massenzu-nahme auf die Bewegung geladener Teilchen im Zyklot-ron (E6, UF4),

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

Hallsonde,

Halleffektgert,

diverse Spulen, deren Felder ver-messen werden (insbesondere lange Spulen und Helmholtzspu-len),

Elektronenstrahlablenkrhre

visuelle Medien und Computersi-mulationen (ggf. RCLs) zum Mas-senspektrometer, Zyklotron und evtl. weiteren Teilchenbeschleuni-gern

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

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

Veranschaulichung mit dem Halleffektgert (Silber),

Kalibrierung einer Hallsonde,

Messungen mit der Hallsonde, u. a. nach-trgliche Vermessung des Helmholtzspulen-feldes,

Bestimmung der magnetischen Feldkonstan-te,

Arbeits- und Funktionsweisen sowie die Verwendungszwecke diverser Elektronen-rhren, Teilchenbeschleuniger und eines Massenspektrometers werden untersucht.

47


Kompetenzen



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

whlen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Gren sowie physikalische Gesetze (u.a. Coulombsches Gesetz, Kraft auf einen strom-durchflossenen Leiter im Magnetfeld, Lorentzkraft, Spannung im homogenen E-Feld) problembezogen aus (UF2),

48


Kompetenzen



Moderne messtech-nische Verfahren sowie Hilfsmittel zur Mathematisierung:

Auf- und Entladung von Kondensatoren,

Energie des elektri-schen Feldes

(10 Ustd.)

erlutern an Beispielen den Stellenwert experimenteller Verfahren bei der Definition physikalischer Gren (elektrische und magnetische Feldstrke) und geben Kriterien zu deren Beurteilung an (z.B. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Unabhngigkeit von Ort und Zeit) (B1, B4),

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

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

whlen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Gren sowie physikalische Gesetze (u.a. Coulombsches Gesetz, Kraft auf einen strom-durchflossenen Leiter im Magnetfeld, Lorentzkraft, Spannung im homogenen E-Feld) problembezogen aus (UF2),

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

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

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

diverse Kondensatoren (als La-dungs-/ Energiespeicher),

Aufbaukondensatoren mit der Mglichkeit die Plattenflche und den Plattenabstand zu variieren,

statische Voltmeter bzw. Elektrome-termessverstrker,

(Schler-)versuche zur Auf- und Entladung von Kondensatoren,

Computer oder GTR/CAS-Rechner zur Messwertverarbeitung

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

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

Plausibilittsbetrachtung zur Grundgleichung des elektrischen Feldes im Feldlinienmodell,

Ermittlung der elektrischen Feldkonstante (evtl. Messung),

Auf- und Entladevorgnge bei Kondensato-ren werden messtechnisch erfasst, compu-terbasiert ausgewertet und mithilfe von Diffe-rentialgleichungen beschrieben.

deduktive Herleitung der im elektrischen Feld eines Kondensators gespeicherten elektrischen Energie

49


Kompetenzen



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

whlen begrndet mathematische Werkzeuge zur Dar-stellung und Auswertung von Messwerten im Bereich der Elektrik (auch computergesttzte graphische Dar-stellungen, Linearisierungsverfahren, Kurvenanpassun-gen), wenden diese an und bewerten die Gte der Messergebnisse (E5, B4),

22 Ustd. Summe

50

Kontext: Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektrischer Energie (LK) Leitfrage: Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden? Inha

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