Physik Schulinterner Lehrplan Siegtal-Gymnasium - Sekundarstufe II - (Fassung vom 01.07.2021)
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Schulinterner Lehrplan Siegtal-Gymnasium – Sekundarstufe II Physik (Fassung vom 01.07.2021)
1 Rahmenbedingungen der fachlichen Arbeit Fachliche Bezüge zum Leitbild der Schule Als Schule verstehen wir uns am Siegtal-Gymnasium als eine Gemeinschaft, in der wir uns zusammengehörig fühlen. Das bedeutet, dass wir friedlich miteinander leben und lernen sowie dass wir uns gegenseitig unterstützen. Dies kann im Fach Physik insbesondere bei Schülerexperimenten gelebt werden. In unserer Gemeinschaft wird jeder in seiner Besonderheit akzeptiert und alle werden gleichermaßen gerecht und fair behandelt. Wir begegnen einander gewaltfrei mit Respekt und Wertschätzung. Jeder Mensch hat das Recht, in gleichem Maße anerkannt zu werden und an unserer Gemeinschaft teilzuhaben. Wir respektieren und schätzen insbesondere unsere Unterschiede in der Vielfalt unserer Kulturen, Erscheinungsbilder und Ansichten. Wir achten auf unsere geistige und körperliche Gesundheit. Hier kann das Fach Physik auf mögliche Gefahren von Elektrizität, Lärm und Radioaktivität im Alltag hinweisen. Wir alle tragen Verantwortung für uns selbst, füreinander und für unser Lernen. Im Physikunterricht trägt der verantwortungsvolle Umgang mit Experimentiermaterialien in Schülerexperimenten zu diesem Ziel bei. Darüber hinaus birgt das Streben nach Fortschritt auch Risiken, die bewertet und beherrscht werden müssen. Naturwissenschaftlich-technische Erkenntnisse und Innovationen stehen damit zunehmend im Fokus gesellschaftlicher Diskussionen und Auseinandersetzungen. Eine vertiefte naturwissenschaftliche Grundbildung bietet die Grundlage für fundierte Urteile in Entscheidungsprozessen über erwünschte oder unerwünschte Entwicklungen. Wir wollen lernen und lehren, Verantwortung bewusst und gerne zu übernehmen – gegenüber unserer Gemeinschaft in der Schule, der Gesellschaft und, im Sinne der Nachhaltigkeit, gegenüber unserem Planeten. Das schulische Leben am SGE ist geprägt von einem umfassenden Bildungsbegriff. Das Fach Physik leistet gemeinsam mit den anderen naturwissenschaftlichen Fä- chern einen Beitrag zum Bildungsziel einer vertieften naturwissenschaftlichen Grundbildung. Typische theorie- und hypothesengeleitete Denk- und Arbeitsweisen ermöglichen eine analytische und rationale Betrachtung der Welt. Naturwissen- schaftliche Bildung ermöglicht eine aktive Teilhabe an gesellschaftlicher Kommunikation und Meinungsbildung über technische Entwicklungen und naturwissenschaft- liche Forschung und ist deshalb wesentlicher Bestandteil von Allgemeinbildung. Unsere gemeinsamen Werte werden getragen von Freude am Lehren und Lernen, am Umgang miteinander und am gemeinsamen Alltag. Ein forschend-entdeckender Unterricht soll Freude am Experimentieren schaffen und Interesse daran wecken, Alltagsphänomene physikalisch zu untersuchen und zu beschreiben. 2
Fachliche Bezüge zu schulischen Standards zum Lehren und Lernen
Im Leistungskonzept Physik finden sich fachspezifische Ergänzungen.
32 Entscheidungen zum Unterricht
2.1 Unterrichtsvorhaben
In der nachfolgenden Übersicht über die Unterrichtsvorhaben wird die für alle Lehrerinnen und Lehrer gemäß Fachkonferenzbeschluss verbindliche Verteilung der Un-
terrichtsvorhaben dargestellt. Die Übersicht dient dazu, für die einzelnen Jahrgangsstufen allen am Bildungsprozess Beteiligten einen schnellen Überblick über Themen
bzw. Fragestellungen der Unterrichtsvorhaben unter Angabe besonderer Schwerpunkte in den Inhalten und in der Kompetenzentwicklung zu verschaffen. Dadurch soll
verdeutlicht werden, welches Wissen und welche Fähigkeiten in den jeweiligen Unterrichtsvorhaben besonders gut zu erlernen sind und welche Aspekte deshalb im
Unterricht hervorgehoben thematisiert werden sollten. Unter den weiteren Vereinbarungen des Übersichtsrasters werden u.a. Möglichkeiten im Hinblick auf inhaltliche
Fokussierungen sowie interne und externe Verknüpfungen ausgewiesen. Bei Synergien und Vernetzungen bedeutet die Pfeilrichtung , dass auf Lernergebnisse anderer
Bereiche zurückgegriffen wird (aufbauend auf …), die Pfeilrichtung →, dass Lernergebnisse später fortgeführt werden (grundlegend für …).
Die Bezüge zu folgenden Bausteinen werden im schulinternen Lehrplan farbig hervorgehoben:
• Verbraucherbildung
• Bildung für eine nachhaltige Entwicklung
• Fächerübergreifende Inhalte
• Individuelle Lernwege/EMiL
• Berufsorientierung
• Mediencurriculum
Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als grobe Orientierungsgröße, die nach Bedarf über- oder unterschritten werden kann. Der Schulinterne Lehrplan ist so
gestaltet, dass er zusätzlichen Spielraum für Vertiefungen, besondere Interessen von Schülerinnen und Schülern, aktuelle Themen bzw. die Erfordernisse anderer be-
sonderer Ereignisse (z.B. Praktika, Klassenfahrten o.Ä.) belässt. Abweichungen über die notwendigen Absprachen hinaus sind im Rahmen des pädagogischen Gestal-
tungsspielraumes der Lehrkräfte möglich. Sicherzustellen bleibt allerdings auch hier, dass im Rahmen der Umsetzung der Unterrichtsvorhaben insgesamt alle Kompe-
tenzerwartungen des Kernlehrplans Berücksichtigung finden.
4Übersicht über die Unterrichtsvorhaben der Sek. II
Einführungsphase (EP)
Vorbemerkungen:
• Dieser Plan wird zur Grundlage des Unterrichts in der kommenden Einführungsphase gemacht.
• Die Änderung der Reihenfolge einzelner Kapitel innerhalb der Inhaltsfelder wird den Unterrichtenden freigestellt.
Inhaltsfeld: Mechanik
Kontext: Physik in Sport und Verkehr
Leitfrage: Wie lassen sich Bewegungen vermessen, analysieren und optimieren?
Inhaltliche Schwerpunkte: Kräfte und Bewegungen, Energie und Impuls
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können …
(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen
(K4) physikalische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumenten begründen bzw. kritisieren.
(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 er-
klären oder vorhersagen,
(UF2)zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen,
5Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(mit ungef. Angabe
Die Schülerinnen und Schüler…
der Ustd.)
Beschreibung von Be- stellen Änderungen in den Vorstellungen zu Bewegungen Einstieg über faire Beurteilung sportlicher Leistun-
wegungen im Alltag und zum Sonnensystem beim Übergang vom Mittelalter zur gen (Weitsprung in West bzw. Ostrichtung, Speer-
(Verkehr) und im Neuzeit dar (UF3, E7), wurf usw., Konsequenzen aus der Ansicht einer ru-
Sport entnehmen Kernaussagen zu naturwissenschaftlichen Positi- henden oder einer bewegten Erde)
Textauszüge aus Galileis Discorsi zur
onen zu Beginn der Neuzeit aus einfachen historischen Tex- Analyse alltäglicher Bewegungsabläufe, Analyse von
Mechanik und zu den Fallgesetzen
ten (K2, K4). Kraftwirkungen auf reibungsfreie Körper
Handexperimente zur qualitativen Be-
Vorstellungen zur Trägheit und zur Fallbewegung,
obachtung von Fallbewegungen (z. B.
Diskussion von Alltagsvorstellungen und physikali-
Aristoteles vs. Galilei Stahlkugel, glattes bzw. zur Kugel zu-
schen Konzepten
(2 Ustd.) sammengedrücktes Papier, evakuier-
tes Fallrohr mit Feder und Metall- Vergleich der Vorstellungen von Aristoteles und Ga-
stück) lilei zur Bewegung, Folgerungen für Vergleichbarkeit
von sportlichen Leistungen.
6Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(mit ungef. Angabe
Die Schülerinnen und Schüler…
der Ustd.)
Beschreibung und unterscheiden gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Digitale Videoanalyse (z.B. mit VIANA, Einführung in die Verwendung von digitaler Video-
Analyse von linearen Bewegungen und erklären zugrundeliegende Ursachen Tracker) von Bewegungen im Sport analyse (Auswertung von Videosequenzen, Darstel-
Bewegungen (UF2), (Fahrradfahrt o. anderes Fahrzeug, lung der Messdaten in Tabellen und Diagrammen
(16 Ustd.) vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichgewichtszu- Sprint, Flug von Bällen) mithilfe einer Software zur Tabellenkalkulation)
stände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition Unterscheidung von gleichförmigen und (beliebig)
(E1), beschleunigten Bewegungen (insb. auch die gleich-
planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qua- mäßig beschleunigte Bewegung)
litativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (u.a. zur Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleichförmi-
Analyse von Bewegungen), führen sie durch, werten sie aus gen Bewegung
und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1),
stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagram- Untersuchung gleichmäßig beschleunigter Bewe-
men (u. a. t-s- und t-v-Diagramme, Vektordiagramme) von Luftkissenfahrbahn mit digitaler gungen im Labor
Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar Messwerterfassung:
Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleichmäßig
(K1, K3), Messreihe zur gleichmäßig beschleu- beschleunigten Bewegung
erschließen und überprüfen mit Messdaten und Diagram- nigten Bewegung
Erstellung von t-s- und t-v-Diagrammen (auch mit-
men funktionale Beziehungen zwischen mechanischen Grö-
hilfe digitaler Hilfsmittel), die Interpretation und
ßen (E5),
Auswertung derartiger Diagramme sollte intensiv
bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Ver- geübt werden.
fahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (u.a. Tabellenkalku-
Planung von Experimenten durch die Schüler (Aus-
lation, GTR) (E6),
wertung mithilfe der Videoanalyse)
Freier Fall und Bewegung auf einer
schiefen Ebene Schlussfolgerungen bezüglich des Einflusses der Kör-
permasse bei Fallvorgängen, auch die Argumenta-
tion von Galilei ist besonders gut geeignet, um Argu-
mentationsmuster in Physik explizit zu besprechen
Wesentlich: Erarbeitung des Superpositionsprinzips
(Komponentenzerlegung und Addition vektorieller
Wurfbewegungen Größen)
Basketball, Korbwurf, Abstoß beim Herleitung der Gleichung für die Bahnkurve nur opti-
Fußball, günstigster Winkel, onal
Dart-Maschine
7Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(mit ungef. Angabe
Die Schülerinnen und Schüler…
der Ustd.)
Newton‘sche Ge- berechnen mithilfe des Newton‘schen Kraftgesetzes Wirkun- Messung der Beschleunigung eines Kennzeichen von Laborexperimenten im Vergleich
setze, Kräfte und Be- gen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewegungszustände Körpers in Abhängigkeit von der be- zu natürlichen Vorgängen besprechen, Ausschalten
wegung und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6), schleunigenden Kraft bzw. Kontrolle bzw. Vernachlässigen von Störungen
(12 Ustd.) entscheiden begründet, welche Größen bei der Analyse von Protokolle: Funktionen und Anforde- Erarbeitung des Newton‘schen Bewegungsgesetzes
Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen rungen Definition der Kraft als Erweiterung des Kraftbegriffs
sind (E1, E4), aus der Sekundarstufe I.
reflektieren Regeln des Experimentierens in der Planung und Berechnung von Kräften und Beschleunigungen
Auswertung von Versuchen (u. a. Zielorientierung, Sicher- beim Kugelstoßen, bei Ballsportarten, Einfluss von
heit, Variablenkontrolle, Kontrolle von Störungen und Feh- Reibungskräften
lerquellen) (E2, E4),
geben Kriterien (u.a. Objektivität, Reproduzierbarkeit, Wi-
derspruchsfreiheit, Überprüfbarkeit) an, um die Zuverlässig-
keit von Messergebnissen und physikalischen Aussagen zu
beurteilen, und nutzen diese bei der Bewertung von eigenen
und fremden Untersuchungen (B1),
8Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(mit ungef. Angabe
Die Schülerinnen und Schüler…
der Ustd.)
Energie und Leistung erläutern die Größen Position, Strecke, Geschwindigkeit, Be- Einsatz des GTR zur Bestimmung des Begriffe der Arbeit und der Energie aus der SI auf-
Impuls schleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie, Impuls und ihre Integrals greifen und wiederholen
Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen Fadenpendel (Schaukel) Deduktive Herleitung der Formeln für die mechani-
(12 Ustd.)
(UF2, UF4), schen Energiearten aus den Newton‘schen Gesetzen
analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen quali- und der Definition der Arbeit
Sportvideos
tativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsper- Energieerhaltung an Beispielen (Pendel, Achterbahn,
spektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1), Halfpipe) erarbeiten und für Berechnungen nutzen
verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), Energetische Analysen in verschiedenen Sportarten
um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrö- (Hochsprung, Turmspringen, Turnen, Stabhoch-
ßen zu berechnen (E3, E6), sprung, Bobfahren, Skisprung)
beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wechselwir- Begriff des Impulses und Impuls als Erhaltungsgröße
kungen und Impulsänderungen (UF1),
Elastischer und inelastischer Stoß auch an anschauli-
begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und chen Beispielen aus dem Sport (z.B. Impulserhaltung
Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei bei Ballsportarten, Kopfball beim Fußball, Kampf-
erarbeitetes Wissen sowie Messergebnisse oder andere ob- sport)
jektive Daten heran (K4), Messreihen zu elastischen und un-
Hinweis: Erweiterung des Impulsbegriffs am Ende
bewerten begründet die Darstellung bekannter mechani- elastischen Stößen
des Kontextes „Auf dem Weg in den Weltraum“
scher und anderer physikalischer Phänomene in verschiede-
nen Medien (Printmedien, Filme, Internet) bezüglich ihrer
Relevanz und Richtigkeit (K2, K4),
ca.42 Ustd. Summe
9Kontext: Auf dem Weg in den Weltraum
Leitfrage: Wie kommt man zu physikalischen Erkenntnissen über unser Sonnensystem?
Inhaltliche Schwerpunkte: Gravitation, Kräfte und Bewegungen, Energie und Impuls
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen.
(E3) mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer Überprüfung ableiten,
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen er-
klären oder vorhersagen,
(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen.
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(mit ungef. Angabe der
Die Schülerinnen und Schüler…
Ustd.)
Aristotelisches Welt- stellen Änderungen in den Vorstellungen zu Bewegungen Arbeit mit dem Lehrbuch: Einstieg über Film zur Entwicklung des Raketenbaus
bild, Kopernikanische und zum Sonnensystem beim Übergang vom Mittelalter zur Geozentrisches und heliozentrisches und der Weltraumfahrt
Wende Neuzeit dar (UF3, E7), Planetenmodell Historie: Verschiedene Möglichkeiten der Interpre-
(2 Ustd.) tation der Beobachtungen
Planetenbewegung ermitteln mithilfe der Kepler´schen Gesetze und des Gravi-
und Kepler’sche Ge- tationsgesetzes astronomische Größen (E6), Animationen zur Darstellung der Pla- Tycho Brahes Messungen, Keplers Schlussfolgerun-
setze beschreiben an Beispielen Veränderungen im Weltbild und netenbewegungen gen
(3 Ustd.) in der Arbeitsweise der Naturwissenschaften, die durch die
Arbeiten von Kopernikus, Kepler, Galilei und Newton initiiert
wurden (E7, B3).
Newton’sches Gravita- beschreiben Wechselwirkungen im Gravitationsfeld und Arbeit mit dem Lehrbuch, Recherche Newton’sches Gravitationsgesetz als Zusammenfas-
tionsgesetz, Gravitati- verdeutlichen den Unterschied zwischen Feldkonzept und im Internet sung bzw. Äquivalent der Kepler’schen Gesetze
onsfeld Kraftkonzept (UF2, E6), Newton’sche „Mondrechnung“
(6 Ustd.) Anwendung des Newton’schen Gravitationsgesetzes
und der Kepler‘schen Gesetze zur Berechnung von
Satellitenbahnen
Feldbegriff diskutieren, Definition der Feldstärke
über Messvorschrift „Kraft auf Probekörper“
10Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(mit ungef. Angabe der
Die Schülerinnen und Schüler…
Ustd.)
Kreisbewegungen analysieren und berechnen auftretende Kräfte bei Kreisbe- Messung der Zentralkraft Beschreibung von gleichförmigen Kreisbewegungen,
(8 Ustd.) wegungen (E6), (evtl. Deduktion) Winkelgeschwindigkeit, Periode, Bahngeschwindig-
keit, Frequenz
Experimentell-erkundende Erarbeitung der Formeln
für Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung:
Auch hier: Herausstellen der Notwendigkeit der Kon-
stanthaltung der restlichen Größen bei der experi-
mentellen Bestimmung einer von mehreren anderen
Größen abhängigen physikalischen Größe (hier bei
der Bestimmung der Zentripetalkraft in Abhängigkeit
von der Masse des rotierenden Körpers)
Ergänzend: Deduktion der Formel für die Zentripetal-
beschleunigung
Massenbestimmungen im Planetensystem, Flucht-
geschwindigkeiten
Bahnen von Satelliten und Planeten
Impuls und Impulser- verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), Skateboards und Medizinball Impuls und Rückstoß
haltung, Rückstoß um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrö- (evtl. Wasserrakete Bewegung einer Rakete im luftleeren Raum
(6 Ustd.) ßen zu berechnen (E3, E6),
Raketentriebwerke für Modellrake- z.B. Untersuchungen mit einer Wasserrakete, Simu-
erläutern unterschiedliche Positionen zum Sinn aktueller ten) lation des Fluges einer Rakete in einer Excel-Tabelle
Forschungsprogramme (z.B. Raumfahrt, Mobilität) und be-
Recherchen zu aktuellen Projekten im Debatte über wissenschaftlichen Wert sowie Kosten
ziehen Stellung dazu (B2, B3).
Themenbereich Raumfahrt und Mobi- und Nutzen ausgewählter Programme
lität
25 Ustd. Summe
11Kontext: Schall
Leitfrage: Wie lässt sich Schall physikalisch untersuchen?
Inhaltliche Schwerpunkte: Schwingungen und Wellen, Kräfte und Bewegungen, Energie und Impuls
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,
(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,
(K1) Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(mit ungef. Angabe
Die Schülerinnen und Schüler…
der Ustd.)
Entstehung und Aus- erklären qualitativ die Ausbreitung mechanischer Wellen Stimmgabeln, Lautsprecher, Fre- Erarbeitung der Grundgrößen zur Beschreibung von
breitung von Schall (Transversal- oder Longitudinalwelle) mit den Eigenschaften quenzgenerator, Frequenzmessgerät, Schwingungen und Wellen:
(5 Ustd.) des Ausbreitungsmediums (E6), Schallpegelmesser, rußgeschwärzte Frequenz (Periode) und Amplitude mittels der Hör-
Glasplatte, Schreibstimmgabel, Klin- eindrücke des Menschen
gel und Vakuumglocke
Modelle der Wellen- beschreiben Schwingungen und Wellen als Störungen eines Lange Schraubenfeder, Wellen- Entstehung von Longitudinal- und Transversalwellen
ausbreitung Gleichgewichts und identifizieren die dabei auftretenden wanne Ausbreitungsmedium, Möglichkeit der Ausbreitung
(6 Ustd.) Kräfte (UF1, UF4), longitudinaler. bzw. transversaler Schallwellen in Ga-
sen, Flüssigkeiten und festen Körpern
Erzwungene Schwin- erläutern das Auftreten von Resonanz mithilfe von Wechsel- Stimmgabeln Resonanz (auch Tacoma-Bridge, Millennium-Bridge)
gungen und Resonanz wirkung und Energie (UF1). Resonanzkörper von Musikinstrumenten
(2 Ustd.)
13 Ustd. Summe
12Qualifikationsphase (Grundkurs)
Vorbemerkungen:
• Dieser Plan wird zur Grundlage des Unterrichts in der kommenden Qualifikationsphase gemacht.
• Die Änderung der Reihenfolge einzelner Kapitel innerhalb der Inhaltsfelder wird den Unterrichtenden freigestellt.
Inhaltsfeld: Quantenobjekte (GK)
Kontext: 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
13Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Beugung und Interfe- veranschaulichen mithilfe der Wellenwanne qualitativ unter Doppelspalt und Gitter, Wellen- Ausgangspunkt: Beugung von Laserlicht
renz Lichtwellen- Verwendung von Fachbegriffen auf der Grundlage des wanne Modellbildung mit Hilfe der Wellenwanne (ggf. als
länge, Lichtfrequenz, Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen sowie die
quantitative Experimente mit Laser- Schülerpräsentation)
Kreiswellen, Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexion und Brechung
licht Bestimmung der Wellenlängen von Licht mit Dop-
ebene Wellen, (K3),
pelspalt und Gitter
Beugung, Brechung bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit
Sehr schön sichtbare Beugungsphänomene finden
(7 Ustd.) Doppelspalt und Gitter (E5),
sich vielfach bei Meereswellen (s. Google-Earth)
Quantelung der Ener- demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoeffekt Photoeffekt Roter Faden: Von Hallwachs bis Elektronenbeugung
gie von Licht, den Quantencharakter von Licht und bestimmen den Zusam-
Hallwachsversuch (Zinkplatte Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquantums
Austrittsarbeit menhang von Energie, Wellenlänge und Frequenz von Pho-
schmiergeln!) und der Austrittsarbeit
tonen sowie die Austrittsarbeit der Elektronen (E5, E2),
(7 Ustd.) Hinweis: Formel für die max. kinetische Energie der
Vakuumphotozelle Photoelektronen wird zunächst vorgegeben.
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. Summe
14Kontext: 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 er-
klären oder vorhersagen,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Elementarladung erläutern anhand einer vereinfachten Version des Millikan- schwebender Wattebausch Begriff des elektrischen Feldes in Analogie zum Gravitati-
versuchs die grundlegenden Ideen und Ergebnisse zur Be- onsfeld besprechen, Definition der Feldstärke über die
(5 Ustd.) Millikanversuch
stimmung der Elementarladung (UF1, E5), Kraft auf einen Probekörper, in diesem Fall die Ladung
Schwebefeldmethode (keine
untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Computer- Stokes´sche Reibung) Homogenes elektrisches Feld im Plattenkondensator, Zu-
simulationen zum Verhalten von Quantenobjekten (E6). sammenhang zwischen Feldstärke im Plattenkondensator,
Auch als Simulation bzw. Schweben
Spannung und Abstand der Kondensatorplatten vorgeben
von Seifenblase möglich
und durch Auseinanderziehen der geladenen Platten de-
monstrieren
15Elektronenmasse beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener e/m-Bestimmung mit dem Faden- Einführung der 3-Finger-Regel und Angabe der Gleichung
elektrischer und magnetischer Felder und erläutern deren strahlrohr und Helmholtzspulen- für die Lorentzkraft:
(7 Ustd.)
Definitionsgleichungen. (UF2, UF1), paar Einführung des Begriffs des magnetischen Feldes (in Ana-
bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungs- auch Ablenkung des Strahls mit Per- logie zu den beiden anderen Feldern durch Kraft auf Pro-
trägers nach Durchlaufen einer elektrischen Spannung manentmagneten (Lorentzkraft) bekörper, in diesem Fall bewegte Ladung oder strom-
(UF2), evtl. Stromwaage bei hinreichend durchflossener Leiter) und des Zusammenhangs zwischen
zur Verfügung stehender Zeit) magnetischer Kraft, Leiterlänge und Stromstärke.
modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie der
Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch, variieren Para- Messung der Stärke von Magnetfel- Vertiefung des Zusammenhangs zwischen Spannung, La-
meter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerungen her, dern mit der Hallsonde dung und Überführungsarbeit am Beispiel Elektronenka-
die sich experimentell überprüfen lassen, und ermitteln die none.
Elektronenmasse (E6, E3, E5),
Streuung von Elekt- erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese, wenden Experiment zur Elektronenbeugung Veranschaulichung der Bragg-Bedingung analog zur Gitter-
ronen an Festkör- diese zur Erklärung des Beugungsbildes beim Elektronen- an polykristallinem Graphit beugung
pern, de Broglie- beugungsexperiment an und bestimmen die Wellenlänge
Wellenlänge der Elektronen (UF1, UF2, E4).
(3 Ustd.)
15 Ustd. Summe
16Kontext: 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 / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Licht und Materie erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektron und Computersimulation Reflexion der Bedeutung der Experimente für die Entwick-
Photon die Bedeutung von Modellen als grundlegende Er- lung der Quantenphysik
(5 Ustd.) Doppelspalt
kenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7),
Photoeffekt
verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretation für
Quantenobjekte unter Verwendung geeigneter Darstellun-
gen (Graphiken, Simulationsprogramme) (K3).
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 Ko-
penhagener Deutung und den Welle-Teilchen-Dualismus
(B4, K4).
5 Ustd. Summe
17Inhaltsfeld: Elektrodynamik (GK) Kontext: 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, 18
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern am Beispiel der Leiterschaukel das Auftreten ei-
Wandlung von mechani- bewegter Leiter im (homogenen) Definition der Spannung und Erläuterung anhand von Bei-
ner Induktionsspannung durch die Wirkung der Lorentz-
scher in elektrische Magnetfeld - spielen für Energieumwandlungsprozesse bei Ladungs-
kraft auf bewegte Ladungsträger (UF1, E6),
Energie: „Leiterschaukelversuch“ transporten, Anwendungsbeispiele.
definieren die Spannung als Verhältnis von Energie und
Elektromagnetische In- Messung von Spannungen mit di- Das Entstehen einer Induktionsspannung bei bewegtem
Ladung und bestimmen damit Energien bei elektrischen
duktion versen Spannungsmessgeräten Leiter im Magnetfeld wird mit Hilfe der Lorentzkraft er-
Leitungsvorgängen (UF2),
(nicht nur an der Leiterschaukel) klärt, eine Beziehung zwischen Induktionsspannung, Lei-
Induktionsspannung
bestimmen die relative Orientierung von Bewegungsrich- tergeschwindigkeit und Stärke des Magnetfeldes wird (de-
Gedankenexperimente zur Über-
(5 Ustd.) tung eines Ladungsträgers, Magnetfeldrichtung und re- duktiv) hergeleitet.
führungsarbeit, die an einer La-
sultierender Kraftwirkung mithilfe einer Drei-Finger-Regel
dung verrichtet wird. Die an der Leiterschaukel registrierten (zeitabhängigen) In-
(UF2, E6),
duktionsspannungen werden mit Hilfe der hergeleiteten
Deduktive Herleitung der Bezie-
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit ei- Beziehung auf das Zeit-Geschwindigkeit-Gesetz des be-
hung zwischen U, v und B.
nem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden, im wegten Leiters zurückgeführt.
Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen aus (E2,
E5).
recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungen histori-
Technisch praktikable Internetquellen, Lehrbücher, Fir- Hier bietet es sich an, arbeitsteilige Präsentationen auch
sche Vorstellungen und Experimente zu Induktionser-
Generatoren: meninformationen, Filme und unter Einbezug von Realexperimenten anfertigen zu las-
scheinungen (K2),
Applets zum Generatorprinzip sen.
Erzeugung sinusförmiger
erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Aufbauten
Wechselspannungen Experimente mit drehenden Lei-
und Ergebnisse von Experimenten im Bereich der Elektro-
terschleifen in (näherungsweise
(4 Ustd.) dynamik jeweils sprachlich angemessen und verständlich
homogenen) Magnetfeldern,
(K3),
Wechselstromgeneratoren
19Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern das Entstehen sinusförmiger Wechselspannun-
Messung und Registrierung von In- Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und
gen in Generatoren (E2, E6),
duktionsspannungen mit Oszil- zeitlicher Veränderung der senkrecht vom Magnetfeld
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit ei- loskop und digitalem Messwerter- durchsetzten Fläche wird „deduktiv“ erschlossen.
nem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden, im fassungssystem
Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen aus (E2,
E5).
Induktionsversuch mit Änderung
der Fläche
erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Aufbauten
Nutzbarmachung diverse „Netzteile“ von Elektro- Der Transformator wird eingeführt und die Übersetzungs-
und Ergebnisse von Experimenten im Bereich der Elektro-
elektrischer Energie Kleingeräten (mit klassischem verhältnisse der Spannungen experimentell ermittelt. Dies
dynamik jeweils sprachlich angemessen und verständlich
durch „Transformation“ Transformator) kann auch durch einen Schülervortrag erfolgen (experi-
(K3),
mentell und medial gestützt).
Transformator Internetquellen, Lehrbücher, Fir-
ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Spannung
meninformationen
(5 Ustd.) und Stromstärke beim Transformator (UF1, UF2).
geben Parameter von Transformatoren zur gezielten Demo-Aufbautransformator mit ge-
Veränderung einer elektrischen Wechselspannung an eigneten Messgeräten
(E4).
führen Induktionserscheinungen an einer Leiterschleife ruhende Induktionsspule in wech- Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und
auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeitlich verän- selstromdurchflossener Feldspule - zeitlicher Veränderung der Stärke des magnetischen Fel-
derliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche (ef- mit Messwerterfassungssystem zur des wird experimentell im Lehrerversuch erschlossen.
fektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4). zeitaufgelösten Registrierung der Die registrierten Messdiagramme werden von den SuS ei-
Induktionsspannung und des zeitli- genständig ausgewertet.
chen Verlaufs der Stärke des mag-
netischen Feldes
20Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
verwenden ein physikalisches Modellexperiment zu Frei-
Energieerhaltung Modellexperiment (z.B. mit Hilfe Hier bietet sich ein arbeitsteiliges Gruppenpuzzle an, in
leitungen, um technologische Prinzipien der Bereitstel-
von Aufbautransformatoren) zur dem Modellexperimente einbezogen werden.
Ohm´sche „Verluste“ lung und Weiterleitung von elektrischer Energie zu de-
Energieübertragung und zur Be-
(4 Ustd.) monstrieren und zu erklären (K3),
stimmung der „Ohm’schen Ver-
bewerten die Notwendigkeit eines geeigneten Transfor- luste“ bei der Übertragung elektri-
mierens der Wechselspannung für die effektive Übertra- scher Energie bei unterschiedlich
gung elektrischer Energie über große Entfernungen (B1), hohen Spannungen
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 Möglichkei-
ten zur Übertragung elektrischer Energie über große Ent-
fernungen (B2, B1, B4).
18 Ustd. Summe
21Kontext: 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…
erläutern anhand des Thomson´schen Ringversuchs die
Lenz´sche Regel Freihandexperiment: Untersuchung Ausgehend von kognitiven Konflikten bei den Ringversu-
Lenz´sche Regel (E5, UF4),
der Relativbewegung eines aufge- chen wird die Lenz´sche Regel erarbeitet
(4 Ustd.)
bewerten bei technischen Prozessen das Auftreten er- hängten Metallrings und eines star-
wünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme (B1). ken Stabmagneten
Thomson’scher Ringversuch
Erarbeitung von Anwendungsbeispielen zur Lenz’schen
diverse technische und spielerische
Regel (z.B. Wirbelstrombremse bei Fahrzeugen oder an
Anwendungen, z.B. Waltenh-
der Kreissäge)
ofens’sches Pendel, Wirbelstrom-
bremse, „fallender Magnet“ im
Alu-Rohr.
4 Ustd. Summe
22Inhaltsfeld: Strahlung und Materie (GK)
Kontext: Erforschung des Mikro- und Makrokosmos
Leitfrage: Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der Materie?
Inhaltliche Schwerpunkte: Energiequantelung der Atomhülle, Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschrei-
ben und erläutern,
(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Er-
gebnisse verallgemeinern,
(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Kern-Hülle-Modell erläutern, vergleichen und beurteilen Modelle Literaturrecherche, Schul- Ausgewählte Beispiele für Atommodelle
zur Struktur von Atomen und Materiebaustei- buch
(2 Ustd.)
nen (E6, UF3, B4),
23Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Energieniveaus der erklären die Energie absorbierter und emittier- Erzeugung von Linienspek- Deutung der Linienspektren
Atomhülle ter Photonen mit den unterschiedlichen Energi- tren mithilfe von Gasentla-
eniveaus in der Atomhülle (UF1, E6), dungslampen
(2 Ustd.)
Quantenhafte erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung Franck-Hertz-Versuch Es kann das Bohr’sche Atommodell angespro-
Emission und Ab- und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Er- chen werden (ohne Rechnungen)
sorption von Pho- gebnisse des Franck-Hertz-Versuches sowie die
tonen charakteristischen Röntgenspektren für die Ent-
wicklung von Modellen der diskreten Energiezu-
(3 Ustd.)
stände von Elektronen in der Atomhülle (E2, E5,
E6, E7),
Röntgenstrahlung erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung Aufnahme von Röntgenspek- Im Zuge der „Elemente der Quantenphysik“
(3 Ustd.) und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die tren (kann mit interaktiven kann die Röntgenstrahlung bereits als Umkeh-
Ergebnisse des Franck-Hertz-Versuches sowie Bildschirmexperimenten (IBE) rung des Photoeffekts bearbeitet werden
die charakteristischen Röntgenspektren für die oder Lehrbuch geschehen, Mögliche Ergänzungen: Bremsspektrum mit h-
Entwicklung von Modellen der diskreten Ener- falls keine Schulröntgenein- Bestimmung / Bragg-Reflexion
giezustände von Elektronen in der Atomhülle richtung vorhanden ist)
(E2, E5, E6, E7),
24Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Sternspektren und interpretieren Spektraltafeln des Sonnenspekt- Flammenfärbung u. a. Durchstrahlung einer Na-Flamme mit Na-
Fraunhoferlinien rums im Hinblick auf die in der Sonnen- und und Hg-Licht (Schattenbildung)
Darstellung des Sonnenspek-
Erdatmosphäre vorhandenen Stoffe (K3, K1),
(3 Ustd.) trums mit seinen Fraunhofer-
erklären Sternspektren und Fraunhoferlinien linien
(UF1, E5, K2), Spektralanalyse
stellen dar, wie mit spektroskopischen Metho-
den Informationen über die Entstehung und den
Aufbau des Weltalls gewonnen werden können
(E2, K1),
13 Ustd. Summe
25Kontext: Mensch und Strahlung Leitfrage: Wie wirkt Strahlung auf den Menschen? Inhaltliche Schwerpunkte: Kernumwandlungen, Ionisierende Strahlung, Spektrum der elektromagnetischen Strahlung Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können (UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschrei- ben und erläutern, (B3) an Beispielen von Konfliktsituationen mit physikalisch-technischen Hintergründen kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und bewerten, (B4) begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaft- lichen Fragestellungen bewerten. 26
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Strahlungsarten unterscheiden -, -, -Strahlung und Röntgen- Recherche Wiederholung und Vertiefung aus der Sek. I
strahlung sowie Neutronen- und Schwerionen-
(2 Ustd.)
strahlung (UF3),
Absorptionsexperimente zu
erläutern den Nachweis unterschiedlicher Arten
-, -, -Strahlung
ionisierender Strahlung mithilfe von Absorptions-
experimenten (E4, E5),
bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen
und Beiträge von Physikerinnen und Physikern
zu Erkenntnissen in der Kern- und Elementarteil-
chenphysik (B1, B3),
erläutern den Begriff Radioaktivität und beschrei-
Elementumwand- Nuklidkarte
ben zugehörige Kernumwandlungsprozesse (UF1,
lung
K1),
(1 Ustd.)
erläutern den Aufbau und die Funktionsweise von
Detektoren Geiger-Müller-Zählrohr An dieser Stelle können Hinweise auf Halb-
Nachweisgeräten für ionisierende Strahlung (Gei-
leiterdetektoren gegeben werden.
(3 Ustd.) ger-Müller-Zählrohr) und bestimmen Halbwerts-
zeiten und Zählraten (UF1, E2).
27Biologische Wirkung beschreiben Wirkungen von ionisierender und ggf. Einsatz eines Films / eines Sinnvolle Beispiele sind die Nutzung von io-
ionisierender Strah- elektromagnetischer Strahlung auf Materie und Videos nisierender Strahlung zur Diagnose und zur
lung und Energie- lebende Organismen (UF1), Therapie bei Krankheiten des Menschen
aufnahme im (von Lebewesen) sowie zur Kontrolle techni-
bereiten Informationen über wesentliche biolo-
menschlichen Ge- sche Anlagen.
gisch-medizinische Anwendungen und Wirkun-
webe
gen von ionisierender Strahlung für unterschied-
Dosimetrie liche Adressaten auf (K2, K3, B3, B4),
(3 Ustd.) begründen in einfachen Modellen wesentliche
biologisch-medizinische Wirkungen von ionisie-
render Strahlung mit deren typischen physikali-
schen Eigenschaften (E6, UF4),
Erläuterung von einfachen dosimetrischen
Begriffe: Aktivität, Energiedosis, Äquivalent-
erläutern das Vorkommen künstlicher und natür-
dosis
licher Strahlung, ordnen deren Wirkung auf den
Menschen mithilfe einfacher dosimetrischer Be-
griffe ein und bewerten Schutzmaßnahmen im
Hinblick auf die Strahlenbelastungen des Men-
schen im Alltag (B1, K2).
bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung
physikalischer Prozesse, u. a. von ionisierender
Strahlung, auf der Basis medizinischer, gesell-
schaftlicher und wirtschaftlicher Gegebenheiten
(B3, B4)
28Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung
ionisierender Strahlung unter Abwägung unter-
schiedlicher Kriterien (B3, B4),
9 Ustd. Summe
29Kontext: Forschung am CERN und DESY Leitfrage: Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Inhaltliche Schwerpunkte: Standardmodell der Elementarteilchen Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können (UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimen- ten und Simulationen erklären oder vorhersagen, 30
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Kernbausteine und erläutern mithilfe des aktuellen Standardmodells In diesem Bereich sind i. d. R.
Elementarteilchen den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit keine Realexperimente für
(4 Ustd.) ihm Phänomene der Kernphysik (UF3, E6), Schulen möglich.
erklären an einfachen Beispielen Teilchenum- Es z.B. kann auf Internetseiten
wandlungen im Standardmodell (UF1). des CERN und DESY zurückge-
Mögliche Schwerpunktsetzung:
recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsarti- griffen werden.
Paarerzeugung, Paarvernichtung,
keln bzw. Veröffentlichungen von Forschungsein-
richtungen zu ausgewählten aktuellen Entwicklun-
gen in der Elementarteilchenphysik (K2).
(Virtuelles) Photon vergleichen in Grundprinzipien das Modell des Lehrbuch, Animationen Veranschaulichung der Austauschwechsel-
als Austauschteil- Photons als Austauschteilchen für die elektromag- wirkung mithilfe geeigneter mechanischer
chen der elektro- netische Wechselwirkung exemplarisch für funda- Modelle, auch Problematik dieser Modelle
magnetischen mentale Wechselwirkungen mit dem Modell des thematisieren
Wechselwirkung Feldes (E6).
Konzept der Aus-
tauschteilchen vs.
Feldkonzept
(2 Ustd.)
6 Ustd. Summe
31Inhaltsfeld: Relativität von Raum und Zeit (GK) Kontext: Navigationssysteme Leitfrage: Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können (UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimen- ten und Simulationen erklären oder vorhersagen, Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar (Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler… 32
Relativität der Zeit interpretieren das Michelson-Morley-Experiment Experiment von Michelson und Ausgangsproblem: Exaktheit der Positions-
als ein Indiz für die Konstanz der Lichtgeschwindig- Morley (Computersimulation) bestimmung mit Navigationssystemen
(5 Ustd.)
keit (UF4),
Lichtuhr (Gedankenexperiment Begründung der Hypothese von der Kon-
erklären anschaulich mit der Lichtuhr grundle- / Computersimulation) stanz der Lichtgeschwindigkeit mit dem Aus-
gende Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie Myonenzerfall (Experi- gang des Michelson-Morley-Experiments
und ermitteln quantitativ die Formel für die Zeitdi- mentepool der Universität Herleitung der Formel für die Zeitdilatation
latation (E6, E7), Wuppertal) am Beispiel einer „bewegten Lichtuhr“.
erläutern qualitativ den Myonenzerfalls in der Der Myonenzerfall in der Erdatmosphäre
Erdatmosphäre als experimentellen Beleg für die dient als experimentelle Bestätigung der
von der Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdila- Zeitdilatation. Betrachtet man das Bezugs-
tation (E5, UF1). system der Myonen als ruhend, kann die
Längenkontraktion der Atmosphäre plausi-
erläutern die relativistische Längenkontraktion
bel gemacht werden.
über eine Plausibilitätsbetrachtung (K3),
begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Ober-
Die Formel für die Längenkontraktion wird
grenze für Geschwindigkeiten von Objekten, dass
angegeben.
eine additive Überlagerung von Geschwindigkei-
ten nur für „kleine“ Geschwindigkeiten gilt (UF2),
erläutern die Bedeutung der Konstanz der Lichtge-
schwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwick-
lung der speziellen Relativitätstheorie (UF1),
5 Ustd. Summe
33Kontext: Teilchenbeschleuniger
Leitfrage: Ist die Masse bewegter Teilchen konstant?
Inhaltliche Schwerpunkte: Veränderlichkeit der Masse, Energie-Masse Äquivalenz
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens er-
schließen und aufzeigen.
(B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begrün-
det gewichten,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern die Funktionsweise eines Zyklotrons und
„Schnelle“ La- Zyklotron (in einer Simulation Der Einfluss der Massenzunahme wird in
argumentieren zu den Grenzen einer Verwendung
dungsträger in E- mit und ohne Massenveränder- der Simulation durch das „Aus-dem-Takt-
zur Beschleunigung von Ladungsträgern bei Be-
und B-Feldern lichkeit) Geraten“ eines beschleunigten Teilchens im
rücksichtigung relativistischer Effekte (K4, UF4),
Zyklotron ohne Rechnung veranschaulicht.
(2 Ustd.)
34Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern die Energie-Masse Äquivalenz (UF1).
Ruhemasse und Film / Video Die Formeln für die dynamische Masse und
dynamische Masse zeigen die Bedeutung der Beziehung E=mc2 für die E=mc2 werden als deduktiv herleitbar ange-
Kernspaltung und -fusion auf (B1, B3) geben.
(4 Ustd.)
Erzeugung und Vernichtung von Teilchen,
Hier können Texte und Filme zu Hiroshima
und Nagasaki eingesetzt werden.
6 Ustd. Summe
35Kontext: Das heutige Weltbild
Leitfrage: Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur Erklärung unserer Welt?
Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation, Veränderlichkeit der Masse, Energie-Masse Äquivalenz
Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können
(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen 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 präsen-
tieren
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
diskutieren die Bedeutung von Schlüsselexperi-
Gegenseitige Be- Lehrbuch, Film / Video
menten bei physikalischen Paradigmenwechseln an
dingung von Raum
Beispielen aus der Relativitätstheorie (B4, E7),
und Zeit
beschreiben Konsequenzen der relativistischen Ein-
(2 Ustd.)
flüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und
einfacher Abbildungen (K3)
2 Ustd. Summe
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