Physik Qualifikationsphase I - Physik Hauscurriculum der Qualifikationsphase I zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe - Lessing-Schule Bochum
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Physik Hauscurriculum der Qualifikationsphase I zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe Physik Qualifikationsphase I
Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben
Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS
Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Erforschung des Photons Quantenobjekte E2 Wahrnehmung und Messung
Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben und erklärt Photon (Wellenaspekt) E5 Auswertung
werden? K3 Präsentation
Zeitbedarf: 14 Ustd.
Erforschung des Elektrons Quantenobjekte UF1 Wiedergabe
Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung Elektron (Teilchenaspekt) UF3 Systematisierung
und die Masse eines Elektrons gemessen werden? E5 Auswertung
Zeitbedarf: 15 Ustd. E6 Modelle
Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Quantenobjekte E6 Modelle
Kann das Verhalten von Elektronen und Photonen durch Elektron und Photon (Teilchenaspekt, E7 Arbeits- und Denkweisen
ein gemeinsames Modell beschrieben werden? Wellenaspekt) K4 Argumentation
Zeitbedarf: 5 Ustd. Quantenobjekte und ihre Eigenschaften B4 Möglichkeiten und Grenzen
Energieversorgung und Transport mit Generatoren Elektrodynamik UF2 Auswahl
und Transformatoren Spannung und elektrische Energie UF4 Vernetzung
Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und Induktion E2 Wahrnehmung und Messung
bereitgestellt werden? E5 Auswertung
Spannungswandlung
Zeitbedarf: 18 Ustd E6 Modelle
K3 Präsentation
B1 Kriterien
Wirbelströme im Alltag Elektrodynamik UF4 Vernetzung
Wie kann man Wirbelströme technisch nutzen? Induktion E5 Auswertung
Zeitbedarf: 4 Ustd. B1 Kriterien
Summe Qualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS: 56 StundenKontext: Erforschung des Photons
Leitfrage: Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben und erklärt werden?
Inhaltliche Schwerpunkte: Photon (Wellenaspekt)
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,
(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und
Ergebnisse verallgemeinern,
(K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht
präsentieren.
Inhalt Kompetenzen Experiment / Kommentar/didaktische Hinweise
Medium
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Beugung und • veranschaulichen mithilfe von Applets und Doppelspalt und • Ausgangspunkt: Beugung von Laserlicht
Interferenz Skizzen qualitativ unter Verwendung von Gitter, Applets • Modellbildung mit Hilfe der Applets (ggf. Wellenwanne z.B. als
Lichtwellenlänge, Fachbegriffen auf der Grundlage des (Wellenwanne) Schülerpräsentation)
Lichtfrequenz, Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene • Bestimmung der Wellenlängen von Licht mit Doppelspalt und Gitter
Kreiswellen, ebene Wellen sowie die Phänomene Beugung, quantitative
Experimente mit
• Sehr schön sichtbare Beugungsphänomene finden sich vielfach bei
Wellen, Beugung, Interferenz, Reflexion und Brechung (K3), Meereswellen (s. Google-Earth)
Brechung (7 Ustd.) Laserlicht
• bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von
Licht mit Doppelspalt und Gitter (E5),
Quantelung der • demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoeffekt • Roter Faden: Von Hallwachs bis Elektronenbeugung
Energie von Licht, Photoeffekt den Quantencharakter von Licht • Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquantums und der
Austrittsarbeit und bestimmen den Zusammenhang von Hallwachsversuch Austrittsarbeit
Energie, Wellenlänge und Frequenz von • Hinweis: Formel für die max. kinetische Energie der Photoelektronen
(7 Ustd.) Photonen sowie die Austrittsarbeit der Vakuumphotozell
wird zunächst vorgegeben.
Elektronen (E5, E2), e
• Der Zusammenhang zwischen Spannung, Ladung und
Überführungsarbeit wird ebenfalls vorgegeben und nur plausibel
gemacht. Er muss an dieser Stelle nicht grundlegend hergeleitet
werden
14 Ustd. SummeKontext: Erforschung des Elektrons
Leitfrage: Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden?
Inhaltliche Schwerpunkte: Elektron (Teilchenaspekt)
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten
beschreiben und erläutern,
(UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren,
(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und
Ergebnisse verallgemeinern,
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten
und Simulationen erklären oder vorhersagen,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Elementarladung erläutern anhand einer vereinfachten Version des schwebender Wattebausch Begriff des elektrischen Feldes in Analogie
Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und zum Gravitationsfeld besprechen, Definition
(5 Ustd.) Ergebnisse zur Bestimmung der Elementarladung Millikanversuch der Feldstärke über die Kraft auf einen
(UF1, E5), Probekörper, in diesem Fall die Ladung
Schwebefeldmethode (keine
untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Stokes´sche Reibung) Homogenes elektrisches Feld im
Computersimulationen zum Verhalten von Plattenkondensator, Zusammenhangs
Quantenobjekten (E6). Sink-/Steigmethode mit Stokesscher zwischen Feldstärke im Plattenkondensator,
Reibung (ggf. als Simulation) Spannung und Abstand der
Kondensatorplatten vorgeben und durch
Auseinanderziehen der geladenen Platten
demonstrierenElektronenmasse beschreiben Eigenschaften und Wirkungen e/m-Bestimmung mit dem Einführung der 3-Finger-Regel und Angabe
homogener elektrischer und magnetischer Felder Fadenstrahlrohr und der Gleichung für die Lorentzkraft:
(7 Ustd.) und erläutern deren Definitionsgleichungen. (UF2, Helmholtzspulenpaar
UF1), Einführung des Begriffs des magnetischen
auch Ablenkung des Strahls mit Feldes (in Analogie zu den beiden anderen
bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines Permanentmagneten (Hier auch Feldern durch Kraft auf Probekörper, in
Ladungsträgers nach Durchlaufen einer Oerstedt-Versuch, Lorentzkraft) diesem Fall bewegte Ladung oder
elektrischen Spannung (UF2), stromdurchflossener Leiter) und des
evtl. Stromwaage bei hinreichend zur Zusammenhangs zwischen magnetischer
modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie Verfügung stehender Zeit) Kraft, Leiterlänge und Stromstärke.
der Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch,
variieren Parameter und leiten dafür deduktiv Messung der Stärke von Vertiefung des Zusammenhangs zwischen
Schlussfolgerungen her, die sich experimentell Magnetfeldern mit der Hallsonde Spannung, Ladung und Überführungsarbeit
überprüfen lassen, und ermitteln die am Beispiel Elektronenkanone.
Elektronenmasse (E6, E3, E5),
Streuung von erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese, Experiment zur Elektronenbeugung Veranschaulichung der Bragg-Bedingung
Elektronen an wenden diese zur Erklärung des Beugungsbildes an polykristallinem Graphit analog zur Gitterbeugung
Festkörpern, de beim Elektronenbeugungsexperiment an und
Broglie-Wellenlänge bestimmen die Wellenlänge der Elektronen (UF1,
UF2, E4).
(3 Ustd.)
15 Ustd. SummeKontext: Photonen und Elektronen als Quantenobjekte
Leitfrage: Kann das Verhalten von Elektronen und Photonen durch ein gemeinsames Modell beschrieben werden?
Inhaltliche Schwerpunkte: Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellenaspekt), Quantenobjekte und ihre Eigenschaften
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten
und Simulationen erklären oder vorhersagen,
(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen
Entwicklung darstellen.
(K4) sich mit anderen über physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse kritisch-konstruktiv austauschen und dabei Behauptungen oder Beurteilungen durch
Argumente belegen bzw. widerlegen.
(B4) begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und
gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.
Inhalt Kompetenzen Experiment / Kommentar
Medium
(Ustd. à Die Schülerinnen und Schüler…
45 min)
Licht erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektron und Photon die Bedeutung von Computersimula Reflexion der Bedeutung der Experimente für
und Modellen als grundlegende Erkenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7), tion die Entwicklung der Quantenphysik
Materie
verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretation für Quantenobjekte unter Doppelspalt
(5 Verwendung geeigneter Darstellungen (Graphiken, Simulationsprogramme) (K3).
Ustd.) Photoeffekt
zeigen an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbereiche 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).
5 Ustd. SummeKontext: Energieversorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren
Leitfrage: Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden?
Inhaltliche Schwerpunkte: Spannung und elektrische Energie, Induktion, Spannungswandlung
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und
begründet auswählen,
(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens
erschließen und aufzeigen.
(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,
(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und
Ergebnisse verallgemeinern,
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten
und Simulationen erklären oder vorhersagen,
(K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht
präsentieren,
(B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet
gewichten,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Wandlung von erläutern am Beispiel derLeiterschaukel das Auftreten bewegter Leiter im (homogenen) Definition der Spannung und Erläuterung
mechanischer in einer Induktionsspannung durch die Wirkung der Magnetfeld - anhand von Beispielen für
elektrische Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger (UF1, E6), „Leiterschaukelversuch“ Energieumwandlungsprozesse bei
Energie: Ladungstransporten, Anwendungsbeispiele.
definieren die Spannung als Verhältnis von Energie Messung von Spannungen mit
Elektromagnetische und Ladung und bestimmen damit Energien bei diversen Spannungsmessgeräten Das Entstehen einer Induktionsspannung bei
Induktion elektrischen Leitungsvorgängen (UF2), (nicht nur an der Leiterschaukel) bewegtem Leiter im Magnetfeld wird mit Hilfe
der Lorentzkraft erklärt, eine Beziehung
bestimmen die relative Orientierung von Gedankenexperimente zur zwischen Induktionsspannung,Induktionsspannung Bewegungsrichtung eines Ladungsträgers, Überführungsarbeit, die an einer Leitergeschwindigkeit und Stärke des
Magnetfeldrichtung und resultierender Kraftwirkung Ladung verrichtet wird. Magnetfeldes wird (deduktiv) hergeleitet.
(5 Ustd.) mithilfe einer Drei-Finger-Regel (UF2, E6),
Deduktive Herleitung der Die an der Leiterschaukel registrierten
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit Beziehung zwischen U, v und B. (zeitabhängigen) Induktionsspannungen
einem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden, werden mit Hilfe der hergeleiteten Beziehung
im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen auf das Zeit-Geschwindigkeit-Gesetz des
aus (E2, E5). bewegten Leiters zurückgeführt.
Technisch recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungen Internetquellen, Lehrbücher, Hier bietet es sich an, arbeitsteilige
praktikable historische Vorstellungen und Experimente zu Firmeninformationen, Filme und Präsentationen auch unter Einbezug von
Generatoren: Induktionserscheinungen (K2), Applets zum Generatorprinzip Realexperimenten anfertigen zu lassen.
Erzeugung erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Experimente mit drehenden
sinusförmiger Aufbauten und Ergebnisse von Experimenten im Leiterschleifen in (näherungsweise
Wechsel-span-nung Bereich der Elektrodynamik jeweils sprachlich homogenen) Magnetfeldern,
en angemessen und verständlich (K3), Wechselstromgeneratoren
(4 Ustd.)
erläutern das Entstehen sinusförmiger Messung und Registrierung von Der Zusammenhang zwischen induzierter
Wechselspannungen in Generatoren (E2, E6), Induktionsspannungen mit Spannung und zeitlicher Veränderung der
Oszilloskop und digitalem senkrecht vom Magnetfeld durchsetzten
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit Messwerterfassungssystem Fläche wird „deduktiv“ erschlossen.
einem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden,
im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen
aus (E2, E5).
führen Induktionserscheinungen an einer Leiterschleife
auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeit-lich
veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche
(effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),
Nutzbarmachung erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, diverse „Netzteile“ von Elektro- Der Transformator wird eingeführt und die
elektrischer Aufbauten und Ergebnisse von Experimenten im Kleingeräten (mit klassischem Übersetzungsverhältnisse der Spannungen
Energie durch Bereich der Elektrodynamik jeweils sprachlich Transformator) experimentell ermittelt. Dies kann auch durch
„Transformation“ angemessen und verständlich (K3), einen Schülervortrag erfolgen (experimentell
Internetquellen, Lehrbücher, und medial gestützt).
Transformator ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Spannung Firmeninformationen Demo-
Aufbautransformator mit Der Zusammenhang zwischen induzierter(5 Ustd.) und Stromstärke beim Transformator (UF1, UF2). geeigneten Messgeräten Spannung und zeitlicher Veränderung der
Stärke des magnetischen Feldes wird
geben Parameter von Transformatoren zur gezielten ruhende Induktionsspule in experimentell im Lehrerversuch erschlossen.
Veränderung einer elektrischen Wechselspannung an wechselstromdurchflossener
(E4), Feldspule - mit Die registrierten Messdiagramme werden von
Messwerterfassungssystem zur den SuS eigenständig ausgewertet.
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit zeitaufgelösten Registrierung der
einem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden, Induktionsspannung und des
im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen zeitlichen Verlaufs der Stärke des
aus (E2, E5). magnetischen Feldes
führen Induktionserscheinungen an einer Leiterschleife
auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeit-lich
veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche
(effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),
Energieerhaltung verwenden ein physikalisches Modellexperiment zu Modellexperiment (z.B. mit Hilfe Hier bietet sich ein arbeitsteiliges
Freileitungen, um technologische Prinzipien der von Aufbautransformatoren) zur Gruppenpuzzle an, in dem
Ohm´sche „Verluste“ Bereitstellung und Weiterleitung von elektrischer Energieübertragung und zur Modellexperimente einbezogen werden.
Energie zu demonstrieren und zu erklären (K3), Bestimmung der „Ohm’schen
(4 Ustd.) Verluste“ bei der Übertragung
bewerten die Notwendigkeit eines ge-eigneten elektrischer Energie bei
Transformierens der Wechselspannung für die unterschiedlich hohen Spannungen
effektive Übertragung elektrischer Energie über große
Entfernungen (B1),
zeigen den Einfluss und die Anwendung physikalischer
Grundlagen in Lebenswelt und Technik am Beispiel
der Bereitstellung und Weiterleitung elektrischer
Energie auf (UF4),
beurteilen Vor- und Nachteile verschiedener
Möglichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie
über große Entfernungen (B2, B1, B4).
18 Ustd. SummeKontext: Wirbelströme im Alltag
Leitfrage: Wie kann man Wirbelströme technisch nutzen?
Inhaltliche Schwerpunkte: Induktion
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens
erschließen und aufzeigen.
(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und
Ergebnisse verallgemeinern,
(B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet
gewichten,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Lenz´sche Regel erläutern anhand des Freihandexperiment: Untersuchung der Relativbewegung Ausgehend von kognitiven Konflikten bei
Thomson´schen Ringversuchs die eines aufgehängten Metallrings und eines starken den Ringversuchen wird die Lenz´sche
(4 Ustd.) Lenz´sche Regel (E5, UF4), Stabmagneten Regel erarbeitet
bewerten bei technischen Thomson’scher Ringversuch Erarbeitung von Anwendungsbeispielen
Prozessen das Auftreten zur Lenz’schen Regel (z.B.
erwünschter bzw. nicht diverse technische und spielerische Anwendungen, z.B. Wirbelstrombremse bei Fahrzeugen oder
erwünschter Wirbelströme (B1), Dämpfungselement an einer Präzisionswaage, an der Kreissäge)
Wirbelstrombremse, „fallender Magnet“ im Alu-Rohr.
4 Ustd. SummeSie können auch lesen
