Physik Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die Sekundarstufe II Alexander-von-Humboldt-Gymnasium Neuss
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Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die Sekundarstufe II Physik Alexander-von-Humboldt-Gymnasium Neuss
Inhalt 1 Die Fachgruppe Physik am Alexander-von-Humboldt-Gymnasium.......................3 2 Entscheidungen zum Unterricht.................................................................................4 2.1 Unterrichtsvorhaben.....................................................................................................4 2.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben.................................................................................6 2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben...................................................................................13 2.2 Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe........................................................................................74 2.3 Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung............................76 2.4 Lehr- und Lernmittel...................................................................................................80 3 Entscheidungen zu fach- und unterrichtsübergreifenden Fragen........................80 4 Qualitätssicherung und Evaluation..........................................................................82 2
1 Die Fachgruppe Physik am Alexander-von-Humboldt-Gymnasi-
um
Das Alexander-von-Humoldt-Gymnasium liegt im Schulzentrum in Neuss und kooperiert
mit dem nahe gelegenen Nelly-Sachs-Gymnasium, so dass regelmäßig Physik-Lei-
stungskurse angeboten werden können. Die Schule nimmt jährlich Realschüler in die
Oberstufe auf, so dass zwei bis drei Physikkurse in der Einführungsphase angeboten
werden. Aus diesen Kursen resultieren im Schnitt in der Qualifikationsphase zwei
Grundkurse und ein Leistungskurs (Kooperationskurs).
Zentrales Element des Physikunterrichts ist das Experiment: Neben Demonstrationsex-
perimenten werden wenn möglich Schülerübungsversuche durchgeführt. Neben der ex-
perimentellen Arbeit greift der Physikunterricht auch auf moderne Auswertungsmetho-
den wie den grafikfähigen Taschenrechner zurück. Auf dieses Art und Weise lernen die
Schülerinnen und Schüler einen vertieften Einblick in die elementaren Zusammenhänge
naturwissenschaftlicher Alltagsphänomene kennen.
Ausstattung zur digitalen Messwerterfassung ist noch nicht vorhanden. Die Schule leiht
deswegen aber regelmäßig Experimente des Neusser SchulPOOLs aus.
Das Gymnasium ist eine MINT-Schule: In der Sekundarstufe I wird jedes Jahr eine Ma-
thNat-Klasse eingeführt, die jedes Jahr eine Stunde naturwissenschaftlichen Unterricht
durchführt. In der Oberstufe werden als Fortsetzung des Konzeptes Projekte, z.B. in Zu-
sammenarbeit mit dem zdi, RWE oder den Stadtwerken und der Bayer-Stiftung angebo-
ten. Ergänzt werden diese Angebote durch ein breit gefächertes Spektrum an Wettbe-
werbsangeboten.
Nach dem Umbau der Schule stehen der Physik zwei neu ausgestattete Fachräume zur
Verfügung. Die Physiksammlung mit einer Vielzahl von Schüler- und Demonstrationsex-
perimenten gut ausgestattet.
Der Verpflichtung, Verkehrserziehung im Fachunterricht zu betreiben kommt die Physik
nach, indem sie Situationen aus dem Straßenverkehr (Bremswege, Überholvorgänge,
Crash) aus fachlicher Sicht beschreibt und analysiert.
32 Entscheidungen zum Unterricht Hinweis: Die nachfolgend dargestellte Umsetzung der verbindlichen Kompetenzerwar- tungen des Kernlehrplans findet auf zwei Ebenen statt. Das Übersichtsraster gibt den Lehrkräften einen raschen Überblick über die laut Fachkonferenz verbindlichen Unter- richtsvorhaben pro Schuljahr. In dem Raster sind, außer dem Thema des jeweiligen Vorhabens, das schwerpunktmäßig damit verknüpfte Inhaltsfeld bzw. die Inhaltsfelder, inhaltliche Schwerpunkte des Vorhabens sowie Schwerpunktkompetenzen ausgewie- sen. Die Konkretisierung von Unterrichtsvorhaben führt weitere Kompetenzerwar- tungen auf und verdeutlicht vorhabenbezogene Absprachen, z.B. zur Festlegung auf ei- nen Aufgabentyp bei der Lernerfolgsüberprüfung durch eine Klausur. 2.1 Unterrichtsvorhaben Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im schulinternen Lehrplan besitzt den An- spruch, sämtliche im Kernlehrplan angeführten Kompetenzen zu berücksichtigen. Dies entspricht der Verpflichtung jeder Lehrkraft, Lerngelegenheiten für ihre Lerngruppe so anzulegen, dass alle Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans von den Schülerinnen und Schülern erworben werden können. Die entsprechende Umsetzung erfolgt auf zwei Ebenen: der Übersichts- und der Kon- kretisierungsebene. Im „Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben“ (Kapitel 2.1.1) wird die für alle Lehrerinnen und Lehrer gemäß Fachkonferenzbeschluss verbindliche Verteilung der Unterrichtsvor- haben dargestellt. Das Übersichtsraster dient dazu, den Kolleginnen und Kollegen ei- nen schnellen Überblick über die Zuordnung der Unterrichtsvorhaben zu den einzelnen Jahrgangsstufen sowie den im Kernlehrplan genannten Kompetenzen, Inhaltsfeldern und inhaltlichen Schwerpunkten sowie in der Fachkonferenz verabredeten verbindli- chen Kontexten zu verschaffen. Um Klarheit für die Lehrkräfte herzustellen und die Übersichtlichkeit zu gewährleisten, werden in der Kategorie „Kompetenzen“ an dieser Stelle nur die übergeordneten Kompetenzerwartungen ausgewiesen, während die kon- kretisierten Kompetenzerwartungen erst auf der Ebene konkretisierter Unterrichtsvorha- ben Berücksichtigung finden. Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als grobe Ori - entierungsgröße, die nach Bedarf über- oder unterschritten werden kann. Um Spielraum für Vertiefungen, besondere Schülerinteressen, aktuelle Themen bzw. die Erfordernisse anderer besonderer Ereignisse (z.B. Praktika, Kursfahrten o.ä.) zu erhalten, wurden im Rahmen dieses schulinternen Lehrplans ca. 75 Prozent der Bruttounterrichtszeit ver- plant. Während der Fachkonferenzbeschluss zum „Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben“ zur Gewährleistung vergleichbarer Standards sowie zur Absicherung von Lerngruppenüber- 4
tritten und Lehrkraftwechseln für alle Mitglieder der Fachkonferenz Bindekraft entfalten
soll, besitzt die exemplarische Ausweisung „konkretisierter Unterrichtsvorhaben“ (Kapi-
tel 2.1.2) empfehlenden Charakter, es sei denn, die Verbindlichkeit bestimmter Aspekte
ist dort explizit formuliert Auch hier besitzen Zeitangaben und Angaben in den Zeilen
Experimente/Medien und Kommentare empfehlenden Charakter, einzelne verbindliche
Aspekte sind hier in Fettdruck markiert. Referendarinnen und Referendaren sowie neu-
en Kolleginnen und Kollegen dienen diese vor allem zur standardbezogenen Orientie -
rung in der neuen Schule, aber auch zur Verdeutlichung von unterrichtsbezogenen
fachgruppeninternen Absprachen zu didaktisch-methodischen Zugängen, fächerüber-
greifenden Kooperationen, Lernmitteln und -orten sowie vorgesehenen Leistungsüber-
prüfungen, die im Einzelnen auch den Kapiteln 2.2 bis 2.4 zu entnehmen sind. Abwei-
chungen von den empfohlenen Vorgehensweisen bezüglich der konkretisierten Unter-
richtsvorhaben sind im Rahmen der pädagogischen Freiheit der Lehrkräfte jederzeit
möglich. Sicherzustellen bleibt allerdings auch hier, dass im Rahmen der Umsetzung
der Unterrichtsvorhaben insgesamt alle Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Be-
rücksichtigung finden.
52.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben
Einführungsphase
Inhaltsfeld Mechanik
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Physik und Sport oder: Physik im Straßenver-
E7 Arbeits- und Denkweisen
kehr
K4 Argumentation
Kräfte und Bewegungen
E5 Auswertung
Wie lassen sich Bewegungen vermessen und Energie und Impuls
E6 Modelle
analysieren?
UF2 Auswahl
UF4 Vernetzung
Auf dem Weg in den Weltraum E3 Hypothesen
Gravitation E6 Modelle
Wie kommt man zu physikalischen Erkenntnis- Kräfte und Bewegungen E7 Arbeits- und Denkweisen
sen über unser Sonnensystem? Energie und Impuls K1 Dokumentation
K2 Recherche
K3 Präsentation
Schall
Schwingungen und Wellen E2 Wahrnehmung und Messung
Kräfte und Bewegungen UF1 Wiedergabe
Wie lässt sich Schall physikalisch untersuchen?
Energie und Impuls K1 DokumentationQualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS
Inhaltsfeld Quantenobjekte
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Erforschung des Photons
Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben E2
und erklärt werden? Photon (Wellenaspekt) E5
K3
Zeitbedarf: 14 Ustd.
Erforschung des Elektrons
Wie können physikalische Eigenschaften wie die UF1
Ladung und die Masse eines Elektrons gemes- UF3
Elektron (Teilchenaspekt)
sen werden? E5
E6
Zeitbedarf: 15 Ustd.
Photonen und Elektronen als Quantenobjekte
Kann das Verhalten von Elektronen und Photo-
E6
nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Welleas-
E7
werden? pekt)
K4
Quantenobjekte und ihre Eigenschaften
B4
Zeitbedarf: 5 Ustd.
Inhaltsfeld Elektrodynamik
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
UF2
Energieversorgung und Transport mit Gene-
UF4
ratoren und Transformatoren
Spannung und elektrische Energie E2
Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt
Induktion E5
und bereitgestellt werden?
Spannungswandlung E6
K3
Zeitbedarf: 18 Ustd.
B1
Wirbelströme im Alltag
UF4
Wie kann man Wirbelströme technisch nutzen?
Induktion E5
B1
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Summe Qualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS: 56 von 90 Stunden
7Qualifikationsphase (Q2) – GRUNDKURS
Inhaltsfeld Strahlung und Materie
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Erforschung des Mikro- und Makrokosmos
Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der UF1 Wiedergabe
Energiequantelung der Atomhülle
Materie? E5 Auswertung
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
E2 Wahrnehmung und Messung
Zeitbedarf: 13 Ustd.
Mensch und Strahlung
Kernumwandlungen UF1 Wiedergabe
Wie wirkt Strahlung auf den Menschen?
Ionisierende Strahlung B3 Werte und Normen
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung B4 Möglichkeiten und Grenzen
Zeitbedarf: 9 Ustd.
Forschung am CERN und DESY
Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? UF3 Systematisierung
Standardmodell der Elementarteilchen
E6 Modelle
Zeitbedarf: 6 Ustd.
Inhaltsfeld Relativität von Raum und Zeit
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Navigationssysteme
Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit UF1 Wiedergabe
der Zeit?
Zeitdilatation E6 Modelle
Zeitbedarf: 5 Ustd.
Teilchenbeschleuniger
Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Veränderlichkeit der Masse UF4 Vernetzung
Energie-Masse Äquivalenz B1 Kriterien
Zeitbedarf: 6 Ustd.
Das heutige Weltbild
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur
Zeitdilatation E7 Arbeits- und Denkweisen
Erklärung unserer Welt?
Veränderlichkeit der Masse K3 Präsentation
Energie-Masse Äquivalenz
Zeitbedarf: 2 Ustd.
Summe Qualifikationsphase (Q2) – GRUNDKURS: 41 von 60 Stunden
8Qualifikationsphase (Q1) – LEISTUNGSKURS
Inhaltsfeld Relativitätstheorie
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Satellitennavigation – Zeitmessung ist nicht
absolut
Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf Konstanz der Lichtgeschwindigkeit UF2 Auswahl
der Zeit? Problem der Gleichzeitigkeit E6 Modelle
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Höhenstrahlung
Warum erreichen Myonen aus der oberen Atmo-
E5 Auswertung
sphäre die Erdoberfläche? Zeitdilatation und Längenkontraktion
K3 Präsentation
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Teilchenbeschleuniger - Warum Teilchen aus
dem Takt geraten
Relativistische Massenzunahme UF4 Vernetzung
Ist die Masse bewegter Teilchen konstant?
Energie-Masse-Beziehung B1 Kriterien
Zeitbedarf: 8 Ustd.
Satellitennavigation – Zeitmessung unter dem
Einfluss von Geschwindigkeit und Gravitation
Beeinflusst Gravitation den Ablauf der Zeit? Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung K3 Präsentation
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Das heutige Weltbild
Problem der Gleichzeitigkeit
Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur
Zeitdilatation und Längenkontraktion
Erklärung unserer Welt? B4 Möglichkeiten und Grenzen
Relativistische Massenzunahme
Energie-Masse-Beziehung
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung
9Inhaltsfeld Elektrik
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Untersuchung von Elektronen UF1
Wie können physikalische Eigenschaften wie die Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer UF2
Ladung und die Masse eines Elektrons gemes- Felder E6
sen werden? Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen K3
und magnetischen Feldern B1
Zeitbedarf: 24 Ustd. B4
UF2
Aufbau und Funktionsweise wichtiger Ver-
UF4
suchs- und Messapparaturen
Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer E1
Wie und warum werden physikalische Größen
Felder E5
meistens elektrisch erfasst und wie werden sie
Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen E6
verarbeitet?
und magnetischen Feldern K3
B1
Zeitbedarf: 22 Ustd.
B4
Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung
elektrischer Energie
UF2
Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt
Elektromagnetische Induktion E6
und bereitgestellt werden?
B4
Zeitbedarf: 22 Ustd.
UF1
Physikalische Grundlagen der drahtlosen UF2
Nachrichtenübermittlung E4
Wie können Nachrichten ohne Materietransport E5
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
übermittelt werden? E6
K3
Zeitbedarf: 28 Ustd. B1
B4
Summe Qualifikationsphase (Q1) – LEISTUNGSKURS: 120 von 150 Stunden
10Qualifikationsphase (Q2) – LEISTUNGSKURS
Inhaltsfeld Quantenphysik
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Erforschung des Photons
Licht und Elektronen als Quantenobjekte UF2 Auswahl
Besteht Licht doch aus Teilchen?
Welle-Teilchen-Dualismus E6 Modelle
Quantenphysik und klassische Physik E7 Arbeits- und Denkweisen
Zeitbedarf: 10 Ustd.
Röntgenstrahlung, Erforschung des Photons
Was ist Röntgenstrahlung? UF1 Wiedergabe
Licht und Elektronen als Quantenobjekte
E6 Modelle
Zeitbedarf: 9 Ustd.
Erforschung des Elektrons
Kann das Verhalten von Elektronen und Photo-
nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben UF1 Wiedergabe
Welle-Teilchen-Dualismus
werden? K3 Präsentation
Zeitbedarf: 6 Ustd.
Die Welt kleinster Dimensionen – Mikroobjek-
te und Quantentheorie Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlich-
UF1 Wiedergabe
Was ist anders im Mikrokosmos? keitsinterpretation
E7 Arbeits- und Denkweisen
Quantenphysik und klassische Physik
Zeitbedarf: 10 Ustd.
11Inhaltsfeld Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik
Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Geschichte der Atommodelle, Lichtquellen
und ihr Licht
UF1 Wiedergabe
Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der
Atomaubau E5 Auswertung
Materie?
E7 Arbeits- und Denkweisen
Zeitbedarf: 10 Ustd.
Physik in der Medizin (Bildgebende Verfah-
ren, Radiologie) UF3 Systematisierung
Ionisierende Strahlung
Wie nutzt man Strahlung in der Medizin? E6 Modelle
Radioaktiver Zerfall
UF4 Vernetzung
Zeitbedarf: 14 Ustd.
(Erdgeschichtliche) Altersbestimmungen
Wie funktioniert die 14C-Methode? UF2 Auswahl
Radioaktiver Zerfall
E5 Auswertung
Zeitbedarf: 10 Ustd.
Energiegewinnung durch nukleare Prozesse
Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? Kernspaltung und Kernfusion B1 Kriterien
Ionisierende Strahlung UF4 Vernetzung
Zeitbedarf: 9 Ustd.
Forschung am CERN und DESY – Elementar-
teilchen und ihre fundamentalen Wechselwir-
kungen UF3 Systematisierung
Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen
Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? K2 Recherche
Zeitbedarf: 11 Ustd.
Summe Qualifikationsphase (Q2) – LEISTUNGSKURS: 89 von 100 Stunden
122.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben
2.1.2.1 Einführungsphase
Inhaltsfeld: Mechanik
Kontext: Physik und Sport oder: Physik im Straßenverkehr
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 ver -
allgemeinern,
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-
mulationen erklären oder vorhersagen,
(UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und be-
gründet auswählen,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Einstieg über faire Beurteilung sportlicher Lei-
stungen (Weitsprung in West bzw. Ostrichtung,
Beschreibung von Textauszüge aus Galileis Discor- Speerwurf usw., Konsequenzen aus der Ansicht
Bewegungen im All- si zur Mechanik und zu den Fall- einer ruhenden oder einer bewegten Erde)
tag, im Sport oder stellen Änderungen in den Vorstellungen zu Bewegun- gesetzen (s. Arbeitsblatt)
Straßenverkehr. gen und zum Sonnensystem beim Übergang vom Mit- Handexperimente zur qualitativen
telalter zur Neuzeit dar (UF3, E7), Vorstellungen zur Trägheit und zur Fallbewe-
Beobachtung von Fallbewegungen gung, Diskussion von Alltagsvorstellungen und
entnehmen Kernaussagen zu naturwissenschaftlichen (Gegenstände mit sehr kleinen und physikalischen Konzepte,
Positionen zu Beginn der Neuzeit aus einfachen histori- großen Massen bzw. Dichten; u. a.
Aristoteles vs. Gali- schen Texten (K2, K4). Vergleich Fall Stahlkugel und Blatt Vergleich der Vorstellungen von Aristoteles und
lei Papier (glatt vs. zur Kugel zusam- Galilei zur Bewegung, insbesondere Trägheit
mengedrückt) und Impetus, Folgerungen für Vergleichbarkeit
von sportlichen Leistungen.Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Einführung in die Verwendung von digitaler Vi-
unterscheiden gleichförmige und gleichmäßig beschleu- deoanalyse
nigte Bewegungen und erklären zugrundeliegende Ur- Videoaufnahmen von Bewegungen
sachen (UF2), Unterscheidung gleichförmige und (beliebig) be-
im Sport (Fahrradfahrt o. anderes schleunigte Bewegungen (insb. auch die gleich-
vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichge- Fahrzeug, Sprint, Flug von Bällen) mäßig beschleunigte Bewegung).
wichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Analyse der Bewegungen mit digi-
Vektoraddition (E1), taler Videoanalyse (z.B. VIANA, Darstellung der Messdaten in Tabellen und Dia-
Tracker, Tabellenkalkulation, GTR) grammen, Erstellen und Interpretieren von t-s-
planen selbstständig Experimente zur quantitativen und und t-v-Diagrammen, Bestimmung von Stre-
qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge cken/Orten, Geschwindigkeiten und Beschleuni-
(u.a. zur Analyse von Bewegungen), führen sie durch, Untersuchung prototypischer gungen aus den Diagrammen.
Beschreibung und
werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeits- beschleunigter Bewegungen im
Analyse von linea- Herleitung der Formeln für gleichförmige und be-
prozesse (E2, E5, B1), Labor, freier Fall, schiefe Ebene
ren Bewegungen schleunigte Bewegungen mit Hilfe der Diagram-
stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Dia- me,
grammen (u. a. t-s- und t-v-Diagramme, Vektordiagram-
Experiment zur Massen(un)abhän- Hypothesen entwickeln und testen.
me) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemes-
gigkeit des Falls und der Bewe- Entwicklung von Experimenten durch die Schü-
sen präzise dar (K1, K3),
gung auf einer schiefen Ebene ler (Fallrohr, Gedankenexperiment), Schlussfol-
erschließen und überprüfen mit Messdaten und Dia-
grammen funktionale Beziehungen zwischen mechani- gerungen bezüglich der Massen(un)abhängig-
schen Größen (E5), keit des freien Falls
bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Basketball, Korbwurf, Abstoß beim Geschwindigkeit (und ggf. Beschleunigung) als
Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (u.a. Tabel- Fußball, günstigster Winkel vektorielle Größe(n): Vektorielle Addition von
lenkalkulation, GTR) (E6), Geschwindigkeiten, Superpositionsprinzip (quali-
tativ, quantitativ nur per Zeichnung)
14Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
berechnen mithilfe des Newton’schen Kraftgesetzes
Wirkungen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewe-
gungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der
Kausalität vorher (E6), Kennzeichen von Laborexperimenten im Ver-
entscheiden begründet, welche Größen bei der Analyse gleich zu natürlichen Vorgängen besprechen,
von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernach- Ausschalten bzw. Kontrolle bzw. Vernachlässi-
Newton’sches Bewegungsge- gen von Störungen
lässigen sind (E1, E4), setz, Experimente mit der Fahr-
Newton’sche Geset- Definition der Kraft als Erweiterung des Kraftbe-
ze, Kräfte und Be- reflektieren Regeln des Experimentierens in der Pla- bahn
nung und Auswertung von Versuchen (u. a. Zielorientie- griffs aus der Sekundarstufe I.
wegung
rung, Sicherheit, Variablenkontrolle, Kontrolle von Stö- Berechnung von Kräften und Beschleunigungen
rungen und Fehlerquellen) (E2, E4), Protokolle: Funktionen und An- beim Kugelstoßen, bei Ballsportarten, Einfluss
forderungen von Reibungskräften
geben Kriterien (u.a. Objektivität, Reproduzierbarkeit,
Widerspruchsfreiheit, Überprüfbarkeit) an, um die Zu-
verlässigkeit von Messergebnissen und physikalischen
Aussagen zu beurteilen, und nutzen diese bei der Be-
wertung von eigenen und fremden Untersuchungen
(B1),
erläutern die Größen Position, Strecke, Geschwindig-
keit, Beschleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie, Im-
puls und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedli- Begriff der Arbeit und der Energie
chen Beispielen (UF2, UF4), Einführung der Definition der Energiearten
analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen Energieerhaltung
qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwir- Einsatz des GTR zur Bestimmung Energetische Analysen z.B. Hochsprung, Turm-
kungsperspektive als auch aus einer energetischen des Integrals springen, Turnen, Stabhochsprung, Bobfahren,
Sicht (E1, UF1), Fadenpendel (Schaukel)
Energie und Lei- Skisprung, Crashtest, Achterbahn.
stung verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilan- Sportvideos Begriff des Impulses
zen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewe-
Impuls Skateboards, Bälle Impuls als Erhaltungsgröße
gungsgrößen zu berechnen (E3, E6),
begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungen Elastischer und inelastischer Stoß
und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und Messreihen zu elastischen und Impulserhaltung bei z.B. Kopfball beim Fußball,
ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnis- inelastischen Stößen Kampfsport, Crashtest, Auffahrunfall.
se oder andere objektive Daten heran (K4), Hinweis: Erweiterung des Impulsbegriffs am
bewerten begründet die Darstellung bekannter mecha- Ende des Kontextes „Auf dem Weg in den Welt-
nischer und anderer physikalischer Phänomene in ver- raum“
schiedenen Medien (Printmedien, Filme, Internet) be-
züglich ihrer Relevanz und Richtigkeit (K2, K4),
15Kontext: 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:
(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen
und aufzeigen. (Verbindung von Himmelsmechanik und „irdischen“ Erfahrungen)
(E3) mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer Überprüfung ableiten,
(Experimentell erkundendes und deduktives Vorgehen)
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-
mulationen erklären oder vorhersagen, (Modellbegriff, Vergleich der Vorstellungen von Aristoteles und Kopernikus)
(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung
darstellen. (Entstehung der Physik der Neuzeit)
(K1) Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren auch mit Unterstützung Digitaler
Werkzeuge, (Referate zu den Weltbildern)
(K2) In vorgegebenen Zusammenhängen selbstständig physikalisch-technische Fragestellungen mit Hilfe von Fachbüchern und anderen Quellen, auch einfachen histo -
rischen Texten, bearbeiten,
(K3) Physikalische Sachverhalte, Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen
Fachtexten darstellen,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
stellen Änderungen in den Vorstellungen zu Bewegun- Als Projekt in Heimarbeit zu erarbeiten.
gen und zum Sonnensystem beim Übergang vom Mit- Geozentrisches und heliozentri- Einstieg über Film zur Entwicklung des Raketen-
Aristotelisches Welt-
telalter zur Neuzeit dar (UF3, E7), sches Planetenmodell (Arbeit baus und der Weltraumfahrt
bild, Kopernikani-
beschreiben an Beispielen Veränderungen im Weltbild mit dem Lehrbuch oder astrono-
sche Wende Evtl. Besuch in einer Sternwarte, Planetarium
und in der Arbeitsweise der Naturwissenschaften, die mischer Fachliteratur)
Bochum
durch die Arbeiten von Kopernikus, Kepler, Galilei und
Beobachtungen am Himmel Historie: Verschie-
Newton initiiert wurden (E7, B3).
dene Möglichkeiten der Interpretation der Beob-
achtungen
Planetenbewegun- Orientierung am Himmel
gen und Kepler’sche ermitteln mithilfe der Kepler´schen Gesetze und des Beobachtungsaufgabe: Finden von Planeten am
Gesetze Gravitationsgesetzes astronomische Größen (E6), Animationen zur Darstellung der
Nachthimmel
Planetenbewegungen
Tycho Brahes Messungen, Keplers Schlussfol-
gerungen
Benutzung geeigneter Apps z.B. Stellarium
16Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Newton’sches Gravitationsgesetz als Zusam-
menfassung bzw. Äquivalent der Kepler’schen
Gesetze
Newton’sches Gra- Arbeit mit dem Lehrbuch, Recher- Newton’sche „Mondrechnung“
vitationsgesetz, beschreiben Wechselwirkungen im Gravitationsfeld und
che im Internet (vgl. z.B. http://ww- Anwendung des Newton’schen Gravitationsge-
Gravitationsfeld verdeutlichen den Unterschied zwischen Feldkonzept
w.leifiphysik.de/themenbereiche/ setzes und der Kepler‘schen Gesetze zur Be-
und Kraftkonzept (UF2, E6),
gravitationsgesetz-und-feld) rechnung von Satellitenbahnen
Feldbegriff diskutieren, Definition der Feldstärke
über Messvorschrift „Kraft auf Probekörper“
Bahnen von Satelliten und Planeten
Beschreibung von gleichförmigen Kreisbewe-
gungen, Winkelgeschwindigkeit, Periode
Zentralkraft und Zentripetalbeschleunigung: An
dieser Stelle sollen das experimentell-erkunden-
de Verfahren zur Erkenntnisgewinnung und das
deduktive Verfahren am Beispiel der Herleitung
Messung der Zentralkraft
der Gleichung für die Zentralkraft als die beiden
An dieser Stelle sollen das expe- wesentlichen Erkenntnismethoden der Physik
rimentell-erkundende und das bearbeitet werden.
Kreisbewegungen analysieren und berechnen auftretende Kräfte bei Kreis- deduktive Verfahren zur Er-
bewegungen (E6), Herausstellen der Notwendigkeit der Konstant-
kenntnisgewinnung am Beispiel
haltung der restlichen Größen bei der experi-
der Herleitung der Gleichung für
mentellen Bestimmung einer von mehreren an-
die Zentralkraft bearbeitet wer-
deren Größen abhängigen physikalischen Grö-
den.
ße (hier am Beispiel des vermutlichen Schüler-
fehlers bei der Bestimmung der Zentralkraft in
Abhängigkeit der Masse des rotierenden Kör-
pers)
Massenbestimmungen im Planetensystem,
Fluchtgeschwindigkeiten
17Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Skateboards und Medizinball
beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wech- Wasserrakete Impuls und Rückstoß
Impuls und Impuls- selwirkungen und Impulsänderungen (UF1), Raketentriebwerke für Modellrake- Bewegung einer Rakete im luftleeren Raum
erhaltung, Rückstoß erläutern unterschiedliche Positionen zum Sinn aktuel- ten Untersuchungen mit einer Wasserrakete, Simu-
ler Forschungsprogramme (z.B. Raumfahrt, Mobilität) Recherchen zu aktuellen Projekten lation des Fluges einer Rakete in einer Excel-
und beziehen Stellung dazu (B2, B3). von ESA und DLR, auch zur Fi- Tabelle
nanzierung
18Kontext: Schall
Leitfrage: Wie lässt sich das Hören des Menschen physikalisch beschreiben?
Inhaltliche Schwerpunkte: Schwingungen und Wellen, Kräfte und Bewegungen, Energie und Impuls
Kompetenzschwerpunkte:
(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,
(Grenzen der sinnlichen Wahrnehmung, Messung mit Frequenzmessgerät, Oszilloskop, Computer)
(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und er-
läutern, (Darstellung von Schwingungen und Wellen mit Fachbegriffen)
(K1) Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren, auch mit Unterstützung digita-
ler Werkzeuge (Digitale Werkzeuge zur Darstellung von Schwingungen)
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Stimmgabeln, Lautsprecher, Fre- Stationenlernen
Entstehung und quenzgenerator, Frequenzmessge-
Ausbreitung von erklären qualitativ die Ausbreitung mechanischer Wel- Erarbeitung der Grundgrößen zur Beschreibung
rät, Schallpegelmesser, rußge-
Schall len (Transversal- oder Longitudinalwelle) mit den Eigen- von Schwingungen und Wellen:
schwärzte Glasplatte, Schreib-
schaften des Ausbreitungsmediums (E6), Frequenz (Periode) und Amplitude mittels der
stimmgabel und Schulpoolexperi-
mente Höreindrücke des Menschen
Entstehung von Wellen
Modelle der Wellen- beschreiben Schwingungen und Wellen als Störungen Klingel und Vakuumglocke Ausbreitungsmedium, Möglichkeit der Ausbrei-
ausbreitung eines Gleichgewichts und identifizieren die dabei auftre- Lange Schraubenfeder, Wellen- tung Schallwellen in Gasen, Flüssigkeiten und
tenden Kräfte (UF1, UF4), wanne festen Körpern
Entstehung des Dopplereffekts, „Schallmauer“
Resonanz (auch Tacoma-Bridge, Millennium-
Erzwungene Bridge)
Schwingungen und erläutern das Auftreten von Resonanz mithilfe von
Resonanz Stimmgabeln Musikinstrumente
Wechselwirkung und Energie (UF1).
Das menschliche Hören (Trommelfell, Gehör-
knöchelchen, Gehörschnecke)
192.1.2.2 Qualifikationsphase: Grundkurs
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 ver-
allgemeinern,
(K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Beugung und Inter- veranschaulichen mithilfe der Wellenwanne qualitativ
unter Verwendung von Fachbegriffen auf der Grundlage Doppelspalt und Gitter, Wellen-
ferenz Lichtwellen- Ausgangspunkt: Beugung bei Licht
des Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen wanne
länge, Lichtfre-
quenz, Kreiswellen, sowie die Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexion Sehr schön sichtbare Beugungs- Modellbildung mit Hilfe der Wellenwanne (auch
ebene Wellen, und Brechung (K3), phänomene finden sich vielfach als Schülerpräsentation)
Beugung, Brechung bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit bei Meereswellen (s. Google- (als Beispiel verfügbar)
Doppelspalt und Gitter (E5), Earth)
(7 Ustd.)
demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoef-
Quantelung der fekt den Quantencharakter von Licht und bestimmen Photoeffekt Feld- und Spannungsbegriff sowie Energie des
Energie von Licht, den Zusammenhang von Energie, Wellenlänge und Lichts formalisieren, intuitiv erfahren und plausi-
Austrittsarbeit Hallwachsversuch bel machen
Frequenz von Photonen sowie die Austrittsarbeit der
(7 Ustd.) Photozelle (als Beispiel verfügbar)
Elektronen (E5, E2),
14 Ustd. Summe
20Kontext: 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 ver-
allgemeinern,
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-
mulationen erklären oder vorhersagen,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern anhand einer vereinfachten Version des
Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Er-
gebnisse zur Bestimmung der Elementarladung Millikanversuch
Wiederaufgreifen des Feld- und Spannungsbegriffs
Elementarladung (UF1, E5), Schwebemethode (keine Stokes formalisieren, intuitiv erfahren und plausibel machen.
(5 Ustd.) ´sche Reibung)
untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Com-
putersimulationen zum Verhalten von Quantenobjek- Auch als Simulation möglich
ten (E6).
beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homoge-
ner elektrischer und magnetischer Felder und erläu-
tern deren Definitionsgleichungen. (UF2, UF1), e/m-Bestimmung mit dem Fa-
bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines La- denstrahlrohr
dungsträgers nach Durchlaufen einer elektrischen Auch Ablenkung des Strahls mit Anwendung des Spannungsbegriffs (s. o.) zur Be-
Elektronenmasse Spannung (UF2), Permanentmagneten (Lorentz- stimmung der Energie der Elektronen, Lorentzkraft in-
(7 Ustd.) kraft) tuitiv erfahren und plausibel
modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie
der Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch, variieren evtl.: Stromwaage
Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerun- evtl.: Hall-Effekt
gen her, die sich experimentell überprüfen lassen,
und ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5),
21Streuung von Elek- erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese,
tronen an Festkör- wenden diese zur Erklärung des Beugungsbildes
pern, de Broglie- Elektronenbeugungs-
beim Elektronenbeugungsexperiment an und bestim- Bragg´sche Gleichung analog zur Gitterbeugung
Wellenlänge experiment
men die Wellenlänge der Elektronen (UF1, UF2, E4).
(3 Ustd.)
15 Ustd. Summe
22Kontext: Photonen und Elektronen als Quantenobjekte
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: Schülerinnen und Schüler können
(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-
mulationen 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…
erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektron
und Photon die Bedeutung von Modellen als grundle-
gende Erkenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7),
verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretation
für Quantenobjekte unter Verwendung geeigneter
Darstellungen (Graphiken, Simulationsprogramme) Computerexperiment Bedeutung der Experimente für die Entwicklung der
Licht und Materie (K3).
Doppelspalt Quantenphysik
(5 Ustd.) zeigen an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbe- Photoeffekt Roter Faden: Von Hallwachs bis Elektronenbeugung
reiche von Wellen- und Teilchenmodellen für Licht
und Elektronen auf (B4, K4),
beschreiben und diskutieren die Kontroverse um die
Kopenhagener Deutung und den Welle-Teilchen-
Dualismus (B4, K4).
5 Ustd. Summe
23Inhaltsfeld: 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 be- gründet 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 ver- allgemeinern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si- mulationen 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 ge- wichten, 24
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern am Beispiel der Leiterschaukel das Auftre- Ausgangspunkt:
ten einer Induktionsspannung durch die Wirkung der
Ein Spannungsmesser registriert eine Spannung,
Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger (UF1, E6), bewegter Leiter im (homoge-
nen) Magnetfeld - „Leiter- Definition der Spannung,
definieren die Spannung als Verhältnis von Energie
schaukelversuch“
Wandlung von me- und Ladung und bestimmen damit Energien bei diese wird anhand von Beispielen für Energieum-
chanischer in elektri- elektrischen Leitungsvorgängen (UF2), Messung von Spannungen mit wandlungsprozesse bei Ladungstransporten „plausi-
sche Energie: diversen Spannungsmessgerä- bel gemacht“, Anwendungsbeispiele.
bestimmen die relative Orientierung von Bewe-
ten (nicht nur an der Leiter-
Elektromagnetische gungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeld- Das Auftreten einer Induktionsspannung bei beweg-
schaukel)
Induktion richtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe ei- tem Leiter im Magnetfeld wird mit Hilfe der auf die
ner Drei-Finger-Regel (UF2, E6), Gedankenexperimente zur „mitbewegten Elektronen wirkenden Lorentzkräfte er-
Induktionsspannung
Überführungsarbeit, die an ei- klärt, eine Beziehung zwischen U, v und B wird (de-
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw.
(5 Ustd.) ner Ladung verrichtet wird. duktiv) hergeleitet.
mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen
wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Deduktive Herleitung der Bezie- Die an der Leiterschaukel registrierten (zeitabhängi-
Spannungen aus (E2, E5). hung zwischen U, v und B. gen) Induktionsspannungen werden mit Hilfe der her-
geleiteten Beziehung auf das Zeit-Geschwindigkeit-
Gesetz des bewegten Leiters zurückgeführt.
recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungen
Technisch praktika- Internetquellen, Lehrbücher, Fir- Die Leiterschaukel wird als wenig praxistauglicher
historische Vorstellungen und Experimente zu In-
ble Generatoren: meninformationen, Filme und Generator erkannt und mit historischen sowie moder-
duktionserscheinungen (K2),
Applets zum Generatorprinzip neren Generatoren verglichen.
Erzeugung sinusförmi-
erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-
ger Wechselspan- Experimente mit drehenden SuS erstellen (arbeitsteilig) Präsentationen und unter-
bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-
nungen Leiterschleifen in (näherungs- richten sich gegenseitig, dabei werden nicht nur bildli-
reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange-
weise homogenen) Magnetfel- che und / oder filmische Medien, sondern auch Real-
(4 Ustd.) messen und verständlich (K3),
dern, Wechselstromgeneratoren experimente eingesetzt und ausgewertet.
25Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern das Entstehen sinusförmiger Wechsel-
Messung und Registrierung von Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung
spannungen in Generatoren (E2, E6),
Induktionsspannungen mit Os- und zeitlicher Veränderung der (effektiv) vom Magnet-
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. zilloskopen und Messwerter- feld durchsetzten Fläche wird „deduktiv“ erschlossen.
mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen fassungssystemen
wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und
Spannungen aus (E2, E5).
führen Induktionserscheinungen an einer Leiter-
schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen
„zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich
veränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),
erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-
bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-
reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange- diverse „Netzteile“ von Elektro-
messen und verständlich (K3), Kleingeräten (mit klassischem Der Transformator wird als das wichtigste Gerät zur
Transformator) Anpassung der (Netz-) Spannung an die jeweils erfor-
ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Span- derliche Betriebsspannung eingeführt (experimentell
nung und Stromstärke beim Transformator (UF1, Internetquellen, Lehrbücher, Fir-
und medial gestützter Schülervortrag).
UF2). meninformationen
Nutzbarmachung
Spannungsübersetzungsverhältnisse werden experi-
elektrischer Energie geben Parameter von Transformatoren zur geziel- Demo-Aufbautransformator mit mentell ermittelt (experimentell und medial gestützter
durch „Transformati- ten Veränderung einer elektrischen Wechselspan- geeigneten Messgeräten Schülervortrag).
on“ nung an (E4),
ruhende Induktionsspule in Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung
Transformator werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. wechselstromdurchflossener und zeitlicher Veränderung der Stärke des magneti-
(5 Ustd.) mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen Feldspule - mit Messwerterfas- schen Feldes wird experimentell / „induktiv“ erschlos-
wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und sungssystem zur zeitaufgelö- sen. Das relativ aufwendige Experiment wird vom
Spannungen aus (E2, E5). sten Registrierung der Indukti- Lehrer vorgeführt, die registrierten Messdiagramme
führen Induktionserscheinungen an einer Leiter- onsspannung sowie auch des können von den SuS selbstständig ausgewertet wer-
schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen zeitlichen Verlaufs der Stärke den.
„zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich des magnetischen Feldes
veränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),
26Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
verwenden ein physikalisches Modellexperiment zu
Freileitungen, um technologische Prinzipien der Be-
reitstellung und Weiterleitung von elektrischer Ener-
gie zu demonstrieren und zu erklären (K3), Modellexperiment (z.B. mit Hil-
fe von Aufbautransformatoren)
bewerten die Notwendigkeit eines geeigneten
zur Energieübertragung und zur
Energieerhaltung Transformierens der Wechselspannung für die ef-
Bestimmung der „Ohm’schen
fektive Übertragung elektrischer Energie über große Als arbeitsteiliges Gruppenpuzzle angelegtes Unter-
Ohm´sche „Verluste“ Verluste“ bei der Übertragung
Entfernungen (B1), richtsvorhaben unter Verwendung von Modellexperi-
elektrischer Energie bei unter-
(4 Ustd.) menten, die von SuS durchgeführt und zur gegenseiti-
zeigen den Einfluss und die Anwendung physikali- schiedlich hohen Spannungen
gen Information genutzt werden
scher Grundlagen in Lebenswelt und Technik am
Internetquellen, Lehrbücher, Fir-
Beispiel der Bereitstellung und Weiterleitung elektri-
meninformationen und Filme
scher Energie auf (UF4),
beurteilen Vor- und Nachteile verschiedener Mög-
lichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie über
große Entfernungen (B2, B1, B4).
18 Ustd. Summe
27Kontext: 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 ver-
allgemeinern,
(B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet ge -
wichten.
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
Ringversuche bei Relativbewe-
gung von Ring und Magnet
Thomson’scher Ringversuch
erläutern anhand des Thomson´schen Ringver- Ausgehend von (kognitiven Konflikten bei) Ringversu-
suchs die Lenz´sche Regel (E5, UF4), diverse technische und spieleri- chen wird die Lenz´sche Regel erarbeitet
sche Anwendungen, Dämp-
Lenz´sche Regel bewerten bei technischen Prozessen das Auftreten und
fungselement an einer Präzisi-
erwünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme
(4 Ustd.) onswaage, „fallender Magnet im zur Deutung diverser technischer und spielerischer
(B1),
Alu-Rohr usw.) Anwendungen genutzt. (Wirbelstrombremse bei Fahr-
Internetquellen, Lehrbücher, Fir- zeugen oder z.B. an der Kreissäge)
meninformationen und Filme zu
Wirbelstrombremsen in Fahr-
zeugen
4 Ustd. Summe
28Inhaltsfeld: 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 beschreiben und
erläutern,
(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse ver-
allgemeinern,
(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 zur
Struktur von Atomen und Materiebausteinen (E6, Recherche in Literatur Diverse Atommodelle (Antike bis Anfang 20. Jhd.)
(2 Ustd.) UF3, B4),
Energieniveaus der erklären die Energie absorbierter und emittierter
Demonstration von Linienspek- Linienspektren deuten auf diskrete Energien hin
Atomhülle Photonen mit den unterschiedlichen Energieniveaus
tren
(1 Ustd.) in der Atomhülle (UF1, E6),
erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und
Quantenhafte Emissi- Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis-
on und Absorption se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte- Deutung der Linienspektren Es kann das Bohr’sche Atommodell angesprochen
von Photonen ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von Franck-Hertz-Versuch werden (ohne Rechnungen)
(3 Ustd.) Modellen der diskreten Energiezustände von Elek-
tronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und Im Zuge der „Elemente der Quantenphysik“ kann die
Aufnahme von Röntgenspek-
Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis- Röntgenstrahlung bereits als Umkehrung des Photo-
Röntgenstrahlung tren (kann mit interaktiven Bild-
se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte- effekts bearbeitet werden
schirmexperimenten (IBE) ge-
(3 Ustd.) ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von
schehen, falls keine Schulrönt- Mögliche Ergänzungen: Bremsspektrum mit h-Be-
Modellen der diskreten Energiezustände von Elek-
geneinrichtung vorhanden ist) stimmung / Bragg-Reflexion
tronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),
Quantelung der Ener- Spektralanalyse
gie u. a. Durchstrahlung einer Na-Flamme mit Na- und
Flammenfärbung
Hg-Licht (Schattenbildung)
(3 Ustd.)
interpretieren Spektraltafeln des Sonnenspektrums
im Hinblick auf die in der Sonnen- und Erdatmo-
sphäre vorhandenen Stoffe (K3, K1),
Linienspektren Darstellung des Sonnenspek-
erklären Sternspektren und Fraunhoferlinien (UF1,
trums mit seinen Fraunhoferli-
(1 Ustd.) E5, K2),
nien
stellen dar, wie mit spektroskopischen Methoden In-
formationen über die Entstehung und den Aufbau
des Weltalls gewonnen werden können (E2, K1),
13 Ustd. Summe
30Kontext: Kernphysik - 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 beschreiben 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 gesellschaftlichen
Fragestellungen bewerten.
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
(Ustd. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler…
unterscheiden -, -, -Strahlung und Röntgenstrah-
lung sowie Neutronen- und Schwerionenstrahlung
(UF3),
erläutern den Nachweis unterschiedlicher Arten ioni- Recherche
Strahlungsarten
sierender Strahlung mithilfe von Absorptionsexperi-
Absorption von -, -, -Strah-
(2 Ustd.) menten (E4, E5),
lung
bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und
Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Er-
kenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik
(B1, B3),
Elementumwandlung erläutern den Begriff Radioaktivität und beschreiben
Umgang mit einer Isotopentafel
(1 Ustd.) zugehörige Kernumwandlungsprozesse (UF1, K1),
erläutern den Aufbau und die Funktionsweise von
Detektoren Nachweisgeräten für ionisierende Strahlung (Geiger- Hinweise auf Halbleiterdetektoren können gege-
Geiger-Müller-Zählrohr
(3 Ustd.) Müller-Zählrohr) und bestimmen Halbwertszeiten und ben werden
Zählraten (UF1, E2),
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