Physik Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe Qualifikationsphase - Gutenberg-Gymnasium
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Schulinterner Lehrplan zum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufe Qualifikationsphase Physik
Inhalt Seite
1 Rahmenbedingungen der fachlichen Arbeit 3
2 Entscheidungen zum Unterricht 4
2.1 Unterrichtsvorhaben 4
2.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben 5
2.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben11
2.1.2.1 Qualifikationsphase: Grundkurs 11
2.1.2.2 Qualifikationsphase: Leistungskurs 25
2.2 Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit im Physikunter-
richt der gymnasialen Oberstufe 59
2.3 Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung 60
2.4 Lehr- und Lernmittel 64
3 Entscheidungen zu fach- und unterrichtsübergreifenden Fragen 65
4 Qualitätssicherung und Evaluation 651 Rahmenbedingungen der fachlichen Arbeit Das Gutenberg-Gymnasium liegt in Bergheim im Rhein-Erft-Kreis. Dort werden ca. 850 Schülerinnen und Schüler von ca. 70 Lehrerinnen und Lehrern unter- richtet. Die Schülerinnen und Schüler kommen aus der Stadt Bergheim, viele auch aus umliegenden kleineren Gemeinden im Kreis Bergheim. Die Unterrichtsstunden dauern 45 Minuten, wobei ein hoher Prozentsatz des erteilten Un- terrichts im Doppelstundensystem erteilt wird. Die Schule verfügt über gut eingerichtete Fachräume, so wurde z.B. die IT-Ausstattung in 2014 komplett aktualisiert. Alle Unter- richtsräume sind barrierefrei erreichbar. Die Nähe zu Köln ermöglicht Kooperationsmöglichkeiten mit verschiedenen Einrichtungen, wie z. B. der Universität und kulturellen Institutionen. In der Sekundarstufe I ist die Schule meist vierzügig, in der gymnasialen Oberstufe besuchen durchschnittlich 100 Teilnehme- rinnen und Teilnehmer je einen Jahrgang. In der EF absolvieren die Schülerinnen und Schüler ein 14-tägiges Betriebspraktikum, in dieser Zeit werden den Seiteneinsteigern individuelle Fördermaßnahmen in einzelnen Fä - chern angeboten. In der Oberstufe kooperiert das Gutenberg-Gymnasium mit dem Berg- heimer Erftgymnasium und dem Bedburger Silverberg-Gymnasium. Dies ermöglicht die Einrichtung einer hohen Anzahl von Kursen, wovon vor allem der Leistungskursbereich profitiert.
2 Entscheidungen zum Unterricht 2.1 Unterrichtsvorhaben Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im schulinternen Lehrplan der Qualifikationspha- se besitzt den Anspruch, alle im Kernlehrplan Physik angeführte Kompetenzen abzubil- den. Dies entspricht der Verpflichtung jeder Lehrkraft, Lerngelegenheiten für ihre Lern - gruppe so anzulegen, dass die Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans von den Schü- lerinnen und Schülern erworben werden können. Die entsprechende Umsetzung erfolgt auf zwei Ebenen: der Übersichts- und der Konkreti- sierungsebene. Im „Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben“ (Kapitel 2.1.1) wird die Verteilung der Unter- richtsvorhaben dargestellt. Das Übersichtsraster dient dazu, den Kolleginnen und Kollegen einen schnellen Überblick über die Zuordnung der Unterrichtsvorhaben zu den den im Kernlehrplan genannten Kompetenzen, Inhaltsfeldern und inhaltlichen Schwerpunkten so- wie in der Fachkonferenz verabredeten verbindlichen Kontexten zu verschaffen. Um Klar - heit für die Lehrkräfte herzustellen und die Übersichtlichkeit zu gewährleisten, werden in der Kategorie „Kompetenzen“ an dieser Stelle nur die übergeordneten Kompetenzerwar- tungen ausgewiesen, während die konkretisierten Kompetenzerwartungen erst auf der Ebene konkretisierter Unterrichtsvorhaben Berücksichtigung finden. Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als grobe Orientierungsgröße, die nach Bedarf über- oder unter- schritten werden kann. Um Spielraum für Vertiefungen, besondere Schülerinteressen, ak- tuelle Themen bzw. die Erfordernisse anderer besonderer Ereignisse (z.B. Praktikum vor den Herbstferien) zu erhalten, wurden nur ca. 75 Prozent der Bruttounterrichtszeit ver- plant. Während der Fachkonferenzbeschluss zum „Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben“ ein- schließlich der dort genannten Kontexte zur Gewährleistung vergleichbarer Standards so- wie zur Absicherung von Lerngruppenübertritten und Lehrkraftwechseln für alle Mitglieder der Fachkonferenz Bindekraft entfaltet, besitzt die exemplarische Ausweisung „konkreti- sierter Unterrichtsvorhaben“ (Kapitel 2.1.2, Tabellenspalten 3 und 4) empfehlenden Cha- rakter. Insbesondere Referendarinnen und Referendaren sowie neuen Kolleginnen und Kollegen dienen die konkretisierten Unterrichtsvorhaben vor allem zur standardbezogenen Orientierung in der neuen Schule, aber auch zur Verdeutlichung von unterrichtsbezogenen fachgruppeninternen Absprachen zu didaktisch-methodischen Zugängen, fächerübergrei- fenden Kooperationen, Lernmitteln und -orten sowie vorgesehenen Leistungsüberprüfun- gen, die im Einzelnen auch den Kapiteln 2.2 bis 2.4 zu entnehmen sind. Abweichungen von den empfohlenen Vorgehensweisen bezüglich der konkretisierten Unterrichtsvorhaben sind im Rahmen der pädagogischen Freiheit der Lehrkräfte jederzeit möglich. Sicherzu- stellen bleibt allerdings auch hier, dass im Rahmen der Umsetzung der Unterrichtsvorha - ben insgesamt alle Kompetenzerwartungen des Kernlehrplans Berücksichtigung finden.
2.1.1 Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben
Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS
Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Erforschung des Photons Quantenobjekte E2 Wahrnehmung und Messung
Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben Photon (Wellenaspekt) E5 Auswertung
und erklärt werden? K3 Präsentation
Zeitbedarf: 14 Ustd.
Erforschung des Elektrons Quantenobjekte UF1 Wiedergabe
Wie können physikalische Eigenschaften wie die Elektron (Teilchenaspekt) UF3 Systematisierung
Ladung und die Masse eines Elektrons gemes- E5 Auswertung
sen werden? E6 Modelle
Zeitbedarf: 15 Ustd.
Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Quantenobjekte E6 Modelle
Kann das Verhalten von Elektronen und Photo- Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellen- E7 Arbeits- und Denkweisen
nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben aspekt) K4 Argumentation
werden? Quantenobjekte und ihre Eigenschaften B4 Möglichkeiten und Grenzen
Zeitbedarf: 5 Ustd.
Energieversorgung und Transport mit Generato- Elektrodynamik UF2 Auswahl
ren und Transformatoren Spannung und elektrische Energie UF4 Vernetzung
Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt Induktion E2 Wahrnehmung und Messung
und bereitgestellt werden? Spannungswandlung E5 Auswertung
Zeitbedarf: 18 Ustd. E6 Modelle
K3 Präsentation
B1 Kriterien
Wirbelströme im Alltag Elektrodynamik UF4 Vernetzung
Wie kann man Wirbelströme technisch nutzen? Induktion E5 Auswertung
Zeitbedarf: 4 Ustd. B1 Kriterien
Summe Qualifikationsphase (Q1) – GRUNDKURS: 56 StundenUnterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q2) – GRUNDKURS
Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Erforschung des Mikro- und Makrokosmos Strahlung und Materie UF1 Wiedergabe
Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der Energiequantelung der Atomhülle E5 Auswertung
Materie? Spektrum der elektromagnetischen Strahlung E2 Wahrnehmung und Messung
Zeitbedarf: 13 Ustd.
Mensch und Strahlung Strahlung und Materie UF1 Wiedergabe
Wie wirkt Strahlung auf den Menschen? Kernumwandlungen B3 Werte und Normen
Zeitbedarf: 9 Ustd. Ionisierende Strahlung B4 Möglichkeiten und Grenzen
Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
Forschung am CERN und DESY Strahlung und Materie UF3 Systematisierung
Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Standardmodell der Elementarteilchen E6 Modelle
Zeitbedarf: 6 Ustd.
Navigationssysteme Relativität von Raum und Zeit UF1 Wiedergabe
Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf Konstanz der Lichtgeschwindigkeit E6 Modelle
der Zeit? Zeitdilatation
Zeitbedarf: 5 Ustd.
Teilchenbeschleuniger Relativität von Raum und Zeit UF4 Vernetzung
Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Veränderlichkeit der Masse B1 Kriterien
Zeitbedarf: 6 Ustd. Energie-Masse Äquivalenz
Das heutige Weltbild Relativität von Raum und Zeit E7 Arbeits- und Denkweisen
Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit K3 Präsentation
Erklärung unserer Welt? Zeitdilatation
Zeitbedarf: 2 Ustd. Veränderlichkeit der Masse
Energie-Masse Äquivalenz
Summe Qualifikationsphase (Q2) – GRUNDKURS: 41 Stunden
6Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q1) – LEISTUNGSKURS
Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Untersuchung von Elektronen Elektrik UF1 Wiedergabe
Wie können physikalische Eigenschaften wie die Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer UF2 Auswahl
Ladung und die Masse eines Elektrons gemes- Felder E6 Modelle
sen werden? Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen K3 Präsentation
Zeitbedarf: 24 Ustd. und magnetischen Feldern B1 Kriterien
B4 Möglichkeiten und Grenzen
Aufbau und Funktionsweise wichtiger Versuchs- Elektrik UF2 Auswahl
und Messapparaturen Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer UF4 Vernetzung
Wie und warum werden physikalische Größen Felder E1 Probleme und Fragestellungen
meistens elektrisch erfasst und wie werden sie Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen E5 Auswertung
verarbeitet? und magnetischen Feldern E6 Modelle
Zeitbedarf: 22 Ustd. K3 Präsentation
B1 Kriterien
B4 Möglichkeiten und Grenzen
Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektri- Elektrik UF2 Auswahl
scher Energie Elektromagnetische Induktion E6 Modelle
Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt B4 Möglichkeiten und Grenzen
und bereitgestellt werden?
Zeitbedarf: 22 Ustd.
Physikalische Grundlagen der drahtlosen Nach- Elektrik UF1 Wiedergabe
richtenübermittlung Elektromagnetische Schwingungen und Wellen UF2 Auswahl
Wie können Nachrichten ohne Materietransport E4 Untersuchungen und Experimente
übermittelt werden? E5 Auswertung
Zeitbedarf: 28 Ustd. E6 Modelle
K3 Präsentation
B1 Kriterien
B4 Möglichkeiten und Grenzen
7Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q1) – LEISTUNGSKURS
Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Erforschung des Photons Quantenphysik UF2 Auswahl
Besteht Licht doch aus Teilchen? Licht und Elektronen als Quantenobjekte E6 Modelle
Zeitbedarf: 10 Ustd. Welle-Teilchen-Dualismus E7 Arbeits- und Denkweisen
Quantenphysik und klassische Physik
Röntgenstrahlung, Erforschung des Photons Quantenphysik UF1 Wiedergabe
Was ist Röntgenstrahlung? Licht und Elektronen als Quantenobjekte E6 Modelle
Zeitbedarf: 9 Ustd.
Erforschung des Elektrons Quantenphysik UF1 Wiedergabe
Kann das Verhalten von Elektronen und Photo- Welle-Teilchen-Dualismus K3 Präsentation
nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben
werden?
Zeitbedarf: 6 Ustd.
Die Welt kleinster Dimensionen – Mikroobjekte Quantenphysik UF1 Wiedergabe
und Quantentheorie Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlich- E7 Arbeits- und Denkweisen
Was ist anders im Mikrokosmos? keitsinterpretation
Zeitbedarf: 10 Ustd. Quantenphysik und klassische Physik
8Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q2) – LEISTUNGSKURS
Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Geschichte der Atommodelle, Lichtquellen und Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik UF1 Wiedergabe
ihr Licht Atomaufbau E5 Auswertung
Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der E7 Arbeits- und Denkweisen
Materie?
Zeitbedarf: 10 Ustd.
Physik in der Medizin (Bildgebende Verfahren, Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik UF3 Systematisierung
Radiologie) Ionisierende Strahlung E6 Modelle
Wie nutzt man Strahlung in der Medizin? Radioaktiver Zerfall UF4 Vernetzung
Zeitbedarf: 14 Ustd.
(Erdgeschichtliche) Altersbestimmungen Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik UF2 Auswahl
Wie funktioniert die 14C-Methode? Radioaktiver Zerfall E5 Auswertung
Zeitbedarf: 10 Ustd.
Energiegewinnung durch nukleare Prozesse Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik B1 Kriterien
Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? Kernspaltung und Kernfusion UF4 Vernetzung
Zeitbedarf: 9 Ustd. Ionisierende Strahlung
Forschung am CERN und DESY – Elementarteil- Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik UF3 Systematisierung
chen und ihre fundamentalen Wechselwirkungen Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen K2 Recherche
Was sind die kleinsten Bausteine der Materie?
Zeitbedarf: 11 Ustd.
9Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase (Q2) – LEISTUNGSKURS
Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte
Satellitennavigation – Zeitmessung ist nicht ab- Relativitätstheorie UF2 Auswahl
solut Konstanz der Lichtgeschwindigkeit E6 Modelle
Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf Problem der Gleichzeitigkeit
der Zeit?
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Höhenstrahlung Relativitätstheorie E5 Auswertung
Warum erreichen Myonen aus der oberen Atmo- Zeitdilatation und Längenkontraktion K3 Präsentation
sphäre die Erdoberfläche?
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Teilchenbeschleuniger - Warum Teilchen aus Relativitätstheorie UF4 Vernetzung
dem Takt geraten Relativistische Massenzunahme B1 Kriterien
Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Energie-Masse-Beziehung
Zeitbedarf: 8 Ustd.
Satellitennavigation – Zeitmessung unter dem Relativitätstheorie K3 Präsentation
Einfluss von Geschwindigkeit und Gravitation Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmes-
Beeinflusst Gravitation den Ablauf der Zeit? sung
Zeitbedarf: 4 Ustd.
Das heutige Weltbild Relativitätstheorie B4 Möglichkeiten und Grenzen
Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Erklärung unserer Welt? Problem der Gleichzeitigkeit
Zeitbedarf: 4 Ustd. Zeitdilatation und Längenkontraktion
Relativistische Massenzunahme
Energie-Masse-Beziehung
Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmes-
sung
102.1.2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben
2.1.2.1 Qualifikationsphase: Grundkurs
Inhaltsfeld: Quantenobjekte (GK)
Kontext: Erforschung des Photons
Leitfrage: Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben und erklärt werden?
Inhaltliche Schwerpunkte: Photon (Wellenaspekt)
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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/didaktische Hinweise
Die Schülerinnen und Schüler…
Beugung und Inter- veranschaulichen mithilfe der Wellenwanne qualitativ Doppelspalt und Gitter, Wellen- Ausgangspunkt: Beugung von Laserlicht
ferenz Lichtwellen- unter Verwendung von Fachbegriffen auf der Grundlage wanne Modellbildung mit Hilfe der Wellenwanne (ggf.
länge, Lichtfre- des Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen
quantitative Experimente mit La- als Schülerpräsentation)
quenz, Kreiswellen, sowie die Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexion
serlicht Bestimmung der Wellenlängen von Licht mit
ebene Wellen, und Brechung (K3),
Doppelspalt und Gitter
Beugung, Brechung bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit
Doppelspalt und Gitter (E5),
Quantelung der demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoef- Photoeffekt Roter Faden: Von Hallwachs bis Elektronenbeu-
Energie von Licht, fekt den Quantencharakter von Licht und bestimmen gung
Hallwachsversuch
Austrittsarbeit den Zusammenhang von Energie, Wellenlänge und
Vakuumphotozelle Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquan-
Frequenz von Photonen sowie die Austrittsarbeit der
tums und der Austrittsarbeit
Elektronen (E5, E2),
Hinweis: Formel für die max. kinetische Energie
der Photoelektronen wird zunächst vorgegeben.
Der Zusammenhang zwischen Spannung, La-
dung und Überführungsarbeit wird ebenfalls vor-
gegeben und nur plausibel gemacht. Er muss an
dieser Stelle nicht grundlegend hergeleitet wer-
den
11Kontext: Erforschung des Elektrons
Leitfrage: Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden?
Inhaltliche Schwerpunkte: Elektron (Teilchenaspekt)
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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,
(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
Die Schülerinnen und Schüler…
Elementarladung erläutern anhand einer vereinfachten Version des schwebender Wattebausch Begriff des elektrischen Feldes in Analogie zum Gra-
Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Er- vitationsfeld besprechen, Definition der Feldstärke
Millikanversuch
gebnisse zur Bestimmung der Elementarladung über die Kraft auf einen Probekörper, in diesem Fall
(UF1, E5), Schwebefeldmethode
die Ladung
Simulation
untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Com- Homogenes elektrisches Feld im Plattenkondensator,
putersimulationen zum Verhalten von Quantenobjek- Zusammenhangs zwischen Feldstärke im Plattenkon-
ten (E6). densator, Spannung und Abstand der Kondensator-
platten vorgeben und durch Auseinanderziehen der
geladenen Platten demonstrieren
Elektronenmasse beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homoge- e/m-Bestimmung mit dem Fa- Einführung der 3-Finger-Regel und Angabe der Glei-
ner elektrischer und magnetischer Felder und erläu- denstrahlrohr und Helmholtz- chung für die Lorentzkraft:
tern deren Definitionsgleichungen. (UF2, UF1), spulenpaar Einführung des Begriffs des magnetischen Feldes (in
bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines La- auch Ablenkung des Strahls mit Analogie zu den beiden anderen Feldern durch Kraft
dungsträgers nach Durchlaufen einer elektrischen Permanentmagneten (Lorentz- auf Probekörper, in diesem Fall bewegte Ladung oder
Spannung (UF2), kraft) stromdurchflossener Leiter) und des Zusammen-
evtl. Stromwaage bei hinreichend hangs zwischen magnetischer Kraft, Leiterlänge und
modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie
zur Verfügung stehender Zeit) Stromstärke.
der Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch, variieren
Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerun- Messung der Stärke von Magnet- Vertiefung des Zusammenhangs zwischen Spannung,
gen her, die sich experimentell überprüfen lassen, feldern mit der Hallsonde Ladung und Überführungsarbeit am Beispiel Elektro-
und ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5), nenkanone.
Streuung von Elek- erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese, Experiment zur Elektronenbeu- Veranschaulichung der Bragg-Bedingung analog zur
tronen an Festkör- wenden diese zur Erklärung des Beugungsbildes gung an polykristallinem Gitterbeugung
pern, de Broglie- beim Elektronenbeugungsexperiment an und bestim- Graphit
Wellenlänge men die Wellenlänge der Elektronen (UF1, UF2, E4).
12Kontext: 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
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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
Die Schülerinnen und Schüler…
Licht und Materie erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektron Computersimulation Reflexion der Bedeutung der Experimente für die Ent-
und Photon die Bedeutung von Modellen als grundle- wicklung der Quantenphysik
Doppelspalt
gende Erkenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7),
Photoeffekt
verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretation
für Quantenobjekte unter Verwendung geeigneter
Darstellungen (Graphiken, Simulationsprogramme)
(K3).
zeigen an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbe-
reiche von Wellen- und Teilchenmodellen für Licht
und Elektronen auf (B4, K4),
beschreiben und diskutieren die Kontroverse um die
Kopenhagener Deutung und den Welle-Teilchen-
Dualismus (B4, K4).
13Inhaltsfeld: 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
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern am Beispiel der Leiterschaukel das Auftre-
Wandlung von me- bewegter Leiter im (homoge- Definition der Spannung und Erläuterung anhand von
ten einer Induktionsspannung durch die Wirkung der
chanischer in elektri- nen) Magnetfeld - Beispielen für Energieumwandlungsprozesse bei La-
Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger (UF1, E6),
sche Energie: „Leiterschaukelversuch“ dungstransporten, Anwendungsbeispiele.
definieren die Spannung als Verhältnis von Energie
Elektromagnetische Messung von Spannungen mit Das Entstehen einer Induktionsspannung bei beweg-
und Ladung und bestimmen damit Energien bei
Induktion diversen Spannungsmessgerä- tem Leiter im Magnetfeld wird mit Hilfe der Lorentz-
elektrischen Leitungsvorgängen (UF2),
ten (nicht nur an der Leiter- kraft erklärt, eine Beziehung zwischen Induktionss-
Induktionsspannung
bestimmen die relative Orientierung von Bewe- schaukel) pannung, Leitergeschwindigkeit und Stärke des Ma-
gungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeld- gnetfeldes wird (deduktiv) hergeleitet.
Gedankenexperimente zur
richtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe ei-
Überführungsarbeit, die an ei- Die an der Leiterschaukel registrierten (zeitabhängi-
ner Drei-Finger-Regel (UF2, E6),
ner Ladung verrichtet wird. gen) Induktionsspannungen werden mit Hilfe der her-
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. geleiteten Beziehung auf das Zeit-Geschwindigkeit-
Deduktive Herleitung der Bezie-
mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen Gesetz des bewegten Leiters zurückgeführt.
hung zwischen U, v und B.
wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und
Spannungen aus (E2, E5).
14Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungen
Technisch praktika- Internetquellen, Lehrbücher, Fir- Hier bietet es sich an, arbeitsteilige Präsentationen
historische Vorstellungen und Experimente zu In-
ble Generatoren: meninformationen, Filme und auch unter Einbezug von Realexperimenten anferti-
duktionserscheinungen (K2),
Applets zum Generatorprinzip gen zu lassen.
Erzeugung sinusförmi-
erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-
ger Wechselspan- Experimente mit drehenden
bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-
nungen Leiterschleifen in (näherungs-
reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange-
weise homogenen) Magnetfel-
messen und verständlich (K3),
dern, Wechselstromgeneratoren
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 senkrecht vom Ma-
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. zilloskop und digitalem Mess- gnetfeld durchsetzten Fläche wird „deduktiv“ erschlos-
mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen werterfassungssystem sen.
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),
15Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-
Nutzbarmachung diverse „Netzteile“ von Elektro- Der Transformator wird eingeführt und die Überset-
bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-
elektrischer Energie Kleingeräten (mit klassischem zungsverhältnisse der Spannungen experimentell er-
reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange-
durch „Transformati- Transformator) mittelt. Dies kann auch durch einen Schülervortrag er-
messen und verständlich (K3),
on“ folgen (experimentell und medial gestützt).
Internetquellen, Lehrbücher, Fir-
ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Span-
Transformator meninformationen
nung und Stromstärke beim Transformator (UF1,
UF2).
Demo-Aufbautransformator mit
geben Parameter von Transformatoren zur geziel- geeigneten Messgeräten
ten Veränderung einer elektrischen Wechselspan-
nung an (E4),
ruhende Induktionsspule in Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung
werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw.
wechselstromdurchflossener und zeitlicher Veränderung der Stärke des magneti-
mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen
Feldspule - mit Messwerterfas- schen Feldes wird experimentell im Lehrerversuch er-
wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und
sungssystem zur zeitaufgelös- schlossen.
Spannungen aus (E2, E5).
ten Registrierung der Indukti-
Die registrierten Messdiagramme werden von den
führen Induktionserscheinungen an einer Leiter- onsspannung und des zeitlichen
SuS eigenständig ausgewertet.
schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen Verlaufs der Stärke des magneti-
„zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich schen Feldes
veränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),
verwenden ein physikalisches Modellexperiment zu
Energieerhaltung Modellexperiment (z.B. mit Hil- Hier bietet sich ein arbeitsteiliges Gruppenpuzzle an,
Freileitungen, um technologische Prinzipien der Be-
fe von Aufbautransformatoren) in dem Modellexperimente einbezogen werden.
Ohm´sche „Verluste“ reitstellung und Weiterleitung von elektrischer Ener-
zur Energieübertragung und zur
gie zu demonstrieren und zu erklären (K3),
(4 Ustd.) Bestimmung der „Ohm’schen
bewerten die Notwendigkeit eines geeigneten Verluste“ bei der Übertragung
Transformierens der Wechselspannung für die ef- elektrischer Energie bei unter-
fektive Übertragung elektrischer Energie über große schiedlich hohen Spannungen
Entfernungen (B1),
zeigen den Einfluss und die Anwendung physikali-
scher Grundlagen in Lebenswelt und Technik am
Beispiel der Bereitstellung und Weiterleitung elektri-
scher Energie auf (UF4),
beurteilen Vor- und Nachteile verschiedener Mög-
lichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie über
große Entfernungen (B2, B1, B4).
16Kontext: Wirbelströme im Alltag
Leitfrage: Wie kann man Wirbelströme technisch nutzen?
Inhaltliche Schwerpunkte: Induktion
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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
Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern anhand des Thomson´schen Ringver-
Lenz´sche Regel Freihandexperiment: Untersu- Ausgehend von kognitiven Konflikten bei den Ring-
suchs die Lenz´sche Regel (E5, UF4),
chung der Relativbewegung ei- versuchen wird die Lenz´sche Regel erarbeitet
bewerten bei technischen Prozessen das Auftreten nes aufgehängten Metallrings
erwünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme und eines starken Stabmagne-
(B1), ten
Thomson’scher Ringversuch Erarbeitung von Anwendungsbeispielen zur
Lenz’schen Regel (z.B. Wirbelstrombremse bei Fahr-
diverse technische und spieleri-
zeugen oder an der Kreissäge)
sche Anwendungen, z.B. Dämp-
fungselement an einer Präzisi-
onswaage, Wirbelstrombremse,
„fallender Magnet“ im Alu-Rohr.
17Inhaltsfeld: 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
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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
Die Schülerinnen und Schüler…
Kern-Hülle-Modell erläutern, vergleichen und beurteilen Modelle zur Literaturrecherche, Schulbuch Ausgewählte Beispiele für Atommodelle
Struktur von Atomen und Materiebausteinen (E6,
UF3, B4),
Energieniveaus der erklären die Energie absorbierter und emittierter Erzeugung von Linienspektren Deutung der Linienspektren
Atomhülle Photonen mit den unterschiedlichen Energieniveaus mithilfe von Gasentladungslam-
in der Atomhülle (UF1, E6), pen
Quantenhafte Emissi- erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und Franck-Hertz-Versuch Es kann das Bohr’sche Atommodell angesprochen
on und Absorption Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis- werden (ohne Rechnungen)
von Photonen se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte-
ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von
Modellen der diskreten Energiezustände von Elek-
tronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),
Röntgenstrahlung erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und Aufnahme von Röntgenspek- Im Zuge der „Elemente der Quantenphysik“ kann die
Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis- tren (kann mit interaktiven Bild- Röntgenstrahlung bereits als Umkehrung des Photo-
se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte- schirmexperimenten (IBE) oder effekts bearbeitet werden
ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von Lehrbuch geschehen, falls keine Mögliche Ergänzungen: Bremsspektrum mit h-
Modellen der diskreten Energiezustände von Elek- Schulröntgeneinrichtung vorhan- Bestimmung / Bragg-Reflexion
tronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7), den ist)
Sternspektren und interpretieren Spektraltafeln des Sonnenspektrums Flammenfärbung u. a. Durchstrahlung einer Na-Flamme mit Na- und
Fraunhoferlinien im Hinblick auf die in der Sonnen- und Erdatmo- Hg-Licht (Schattenbildung)
Darstellung des Sonnenspek-
sphäre vorhandenen Stoffe (K3, K1),
trums mit seinen Fraunhoferli-
erklären Sternspektren und Fraunhoferlinien (UF1,
nien
E5, K2),
stellen dar, wie mit spektroskopischen Methoden In- Spektralanalyse
formationen über die Entstehung und den Aufbau
des Weltalls gewonnen werden können (E2, K1),
18Kontext: Mensch und Strahlung
Leitfrage: Wie wirkt Strahlung auf den Menschen?
Inhaltliche Schwerpunkte: Kernumwandlungen, Ionisierende Strahlung, Spektrum der elektromagnetischen Strahlung
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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
Die Schülerinnen und Schüler…
Strahlungsarten unterscheiden -, -, -Strahlung und Röntgenstrah- Recherche Wiederholung und Vertiefung aus der Sek. I
lung sowie Neutronen- und Schwerionenstrahlung
(UF3),
Absorptionsexperimente zu
erläutern den Nachweis unterschiedlicher Arten ioni-
sierender Strahlung mithilfe von Absorptionsexperi- -, -, -Strahlung
menten (E4, E5),
bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und
Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Er-
kenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik
(B1, B3),
erläutern den Begriff Radioaktivität und beschreiben
Elementumwandlung zugehörige Kernumwandlungsprozesse (UF1, K1), Nuklidkarte
erläutern den Aufbau und die Funktionsweise von
Detektoren Nachweisgeräten für ionisierende Strahlung (Geiger- Geiger-Müller-Zählrohr An dieser Stelle können Hinweise auf Halbleiter-
Müller-Zählrohr) und bestimmen Halbwertszeiten und detektoren gegeben werden.
Zählraten (UF1, E2),
19Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
Biologische Wirkung beschreiben Wirkungen von ionisierender und elek- ggf. Einsatz eines Films / eines Vi- Sinnvolle Beispiele sind die Nutzung von ionisie-
ionisierender Strah- tromagnetischer Strahlung auf Materie und lebende deos render Strahlung zur Diagnose und zur Therapie
lung und Energieauf- Organismen (UF1), bei Krankheiten des Menschen (von Lebewe-
nahme im menschli- sen) sowie zur Kontrolle technische Anlagen.
chen Gewebe bereiten Informationen über wesentliche biologisch-
medizinische Anwendungen und Wirkungen von ioni-
Dosimetrie sierender Strahlung für unterschiedliche Adressaten
auf (K2, K3, B3, B4),
begründen in einfachen Modellen wesentliche biolo-
gisch-medizinische Wirkungen von ionisierender
Strahlung mit deren typischen physikalischen Eigen-
schaften (E6, UF4),
Erläuterung von einfachen dosimetrischen Be-
erläutern das Vorkommen künstlicher und natürlicher
griffe: Aktivität, Energiedosis, Äquivalentdosis
Strahlung, ordnen deren Wirkung auf den Menschen
mithilfe einfacher dosimetrischer Begriffe ein und be-
werten Schutzmaßnahmen im Hinblick auf die Strah-
lenbelastungen des Menschen im Alltag (B1, K2).
bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung
physikalischer Prozesse, u. a. von ionisierender
Strahlung, auf der Basis medizinischer, gesellschaft-
licher und wirtschaftlicher Gegebenheiten (B3, B4)
bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung ioni-
sierender Strahlung unter Abwägung unterschiedli-
cher Kriterien (B3, B4),
20Kontext: Forschung am CERN und DESY
Leitfrage: Was sind die kleinsten Bausteine der Materie?
Inhaltliche Schwerpunkte: Standardmodell der Elementarteilchen
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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, Gedankenexperimenten und Si-
mulationen erklären oder vorhersagen,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
Kernbausteine und erläutern mithilfe des aktuellen Standardmodells den
Elementarteilchen Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phä-
nomene der Kernphysik (UF3, E6),
erklären an einfachen Beispielen Teilchenumwandlun-
gen im Standardmodell (UF1).
Mögliche Schwerpunktsetzung:
recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln
bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen Paarerzeugung, Paarvernichtung,
zu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Ele-
mentarteilchenphysik (K2).
(Virtuelles) Photon vergleichen in Grundprinzipien das Modell des Pho- Lehrbuch, Animationen Veranschaulichung der Austauschwechselwir-
als Austauschteil- tons als Austauschteilchen für die elektromagnetische kung mithilfe geeigneter mechanischer Modelle,
chen der elektroma- Wechselwirkung exemplarisch für fundamentale Wech- auch Problematik dieser Modelle thematisieren
gnetischen Wechsel- selwirkungen mit dem Modell des Feldes (E6).
wirkung
Konzept der Aus-
tauschteilchen vs.
Feldkonzept
21Inhaltsfeld: Relativität von Raum und Zeit (GK)
Kontext: Navigationssysteme
Leitfrage: Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit?
Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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, Gedankenexperimenten und Si-
mulationen erklären oder vorhersagen,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
Relativität der Zeit interpretieren das Michelson-Morley-Experiment als Experiment von Michelson und Ausgangsproblem: Exaktheit der Positionsbe-
ein Indiz für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Morley (Computersimulation) stimmung mit Navigationssystemen
(UF4),
Lichtuhr (Gedankenexperiment / Begründung der Hypothese von der Konstanz
erklären anschaulich mit der Lichtuhr grundlegende Computersimulation) der Lichtgeschwindigkeit mit dem Ausgang des
Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie und ermit- Myonenzerfall (Experimentepool Michelson-Morley-Experiments
teln quantitativ die Formel für die Zeitdilatation (E6, der Universität Wuppertal) Herleitung der Formel für die Zeitdilatation am
E7), Beispiel einer „bewegten Lichtuhr“.
erläutern qualitativ den Myonenzerfalls in der Erdat- Der Myonenzerfall in der Erdatmosphäre dient
mosphäre als experimentellen Beleg für die von der als experimentelle Bestätigung der Zeitdilatation.
Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdilatation (E5, Betrachtet man das Bezugssystem der Myonen
UF1). als ruhend, kann die Längenkontraktion der At-
mosphäre plausibel gemacht werden.
erläutern die relativistische Längenkontraktion über
eine Plausibilitätsbetrachtung (K3),
Die Formel für die Längenkontraktion wird ange-
begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergren-
geben.
ze für Geschwindigkeiten von Objekten, dass eine ad-
ditive Überlagerung von Geschwindigkeiten nur für
„kleine“ Geschwindigkeiten gilt (UF2),
erläutern die Bedeutung der Konstanz der Lichtge-
schwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklung
der speziellen Relativitätstheorie (UF1),
22Kontext: Teilchenbeschleuniger
Leitfrage: Ist die Masse bewegter Teilchen konstant?
Inhaltliche Schwerpunkte: Veränderlichkeit der Masse, Energie-Masse Äquivalenz
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: Schülerinnen und Schüler können
(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen
und aufzeigen.
(B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet ge -
wichten,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern die Funktionsweise eines Zyklotrons und ar-
„Schnelle“ Ladungs- gumentieren zu den Grenzen einer Verwendung zur Zyklotron (in einer Simulation mit Der Einfluss der Massenzunahme wird in der Si-
träger in E- und B- Beschleunigung von Ladungsträgern bei Berücksichti- und ohne Massenveränderlichkeit) mulation durch das „Aus-dem-Takt-Geraten“ ei-
Feldern gung relativistischer Effekte (K4, UF4), nes beschleunigten Teilchens im Zyklotron ohne
Rechnung veranschaulicht.
erläutern die Energie-Masse Äquivalenz (UF1).
Ruhemasse und dy- Film / Video Die Formeln für die dynamische Masse und
namische Masse zeigen die Bedeutung der Beziehung E=mc2 für die E=mc2 werden als deduktiv herleitbar angege-
Kernspaltung und -fusion auf (B1, B3) ben.
Erzeugung und Vernichtung von Teilchen,
Hier können Texte und Filme zu Hiroshima und
Nagasaki eingesetzt werden.
23Kontext: 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
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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 präsentieren,
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
diskutieren die Bedeutung von Schlüsselexperimenten
Gegenseitige Bedin- bei physikalischen Paradigmenwechseln an Beispielen Lehrbuch, Film / Video
gung von Raum und aus der Relativitätstheorie (B4, E7),
Zeit
beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüs-
se auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfa-
cher Abbildungen (K3)
242.1.2.2 Qualifikationsphase: Leistungskurs
Inhaltsfeld: Elektrik (LK)
Kontext: Untersuchung von Elektronen
Leitfrage: Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden?
Inhaltliche Schwerpunkte: Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder,Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: Schülerinnen und Schüler können
(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und
erläutern,
(UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und be-
gründet auswählen,
(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,
(B4) begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen
Fragestellungen bewerten.
Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
Grundlagen: erklären elektrostatische Phänomene und Influenz einfache Versuche zur Rei- An dieser Stelle sollte ein Rückgriff auf die S I erfol-
mithilfe grundlegender Eigenschaften elektrischer bungselektrizität – Anziehung / gen.
Ladungstrennung,
Ladungen (UF2, E6), Abstoßung,
Das Elektron soll als (ein) Träger der negativen La-
Ladungsträger
halbquantitative Versuche mit dung benannt und seine Eigenschaften untersucht
Hilfe eines Elektrometerverstär- werden.
kers:
Zwei aneinander geriebene
Kunststoffstäbe aus unter-
schiedlichen Materialien tragen
betragsmäßig gleiche, aber ent-
gegengesetzte Ladungen,
Influenzversuche
25Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homo-
Bestimmung der Ele- Skizzen zum prinzipiellen Auf- Die Versuchsidee „eines“ Millikanversuchs wird erar-
gener elektrischer und magnetischer Felder und er-
mentarladung: bau des Millikanversuchs, beitet.
läutern die Definitionsgleichungen der entsprechen-
realer Versuchsaufbau oder ent-
elektrische Felder, den Feldstärken (UF2, UF1), Der Begriff des elektrischen Feldes und das Feldlini-
sprechende Medien
Feldlinien enmodell werden eingeführt.
erläutern und veranschaulichen die Aussagen, (z. B: RCL (remote control labo-
potentielle Energie im Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodel- ratory), Die elektrische Feldstärke in einem Punkt eines
elektrischen Feld, len, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschauli- elektrischen Feldes, der Begriff „homogenes Feld“
einfache Versuche und visuelle
Spannung chung typischer Felder und interpretieren Feldlini- und die Spannung werden definiert.
Medien zur Veranschaulichung
enbilder (K3, E6, B4),
Kondensator elektrischer Felder im Feldlinien-
modell,
Elementarladung
Plattenkondensator (homogenes
E-Feld),
leiten physikalische Gesetze (u.a. die im homoge-
evtl. Apparatur zur Messung der Zusammenhang zwischen E und U im homogenen
nen elektrischen Feld gültige Beziehung zwischen
Feldstärke gemäß der Definition, Feld
Spannung und Feldstärke und den Term für die Lor-
entzkraft) aus geeigneten Definitionen und bekann- Spannungsmessung am Platten- Bestimmung der Elementarladung mit Diskussion
ten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2), kondensator, der Messgenauigkeit
entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik, Bestimmung der Elementarla- An dieser Stelle sollten Übungsaufgaben erfolgen,
ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorge- dung mit dem Millikanversuch z.B. auch zum Coulomb’schen Gesetz. Dieses kann
hen sinnvoller ist (B4, UF2, E1), auch nur per Plausibilitätsbetrachtung eingeführt
werden.
26Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern an Beispielen den Stellenwert experimen-
Bestimmung der Fadenstrahlrohr (zunächst) zur Die Frage nach der Masse eines Elektrons führt zu
teller Verfahren bei der Definition physikalischer
Masse eines Elek- Erarbeitung der Versuchsidee, weiteren Überlegungen.
Größen (elektrische und magnetische Feldstärke)
trons:
und geben Kriterien zu deren Beurteilung an (z.B. (z.B.) Stromwaage zur Demons- Als Versuchsidee wird (evtl. in Anlehnung an astro-
magnetische Felder, Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Unabhängigkeit tration der Kraftwirkung auf nomischen Berechnungen in der EF) die Auswer-
Feldlinien, von Ort und Zeit) (B1, B4), stromdurchflossene Leiter im tung der Daten einer erzwungenen Kreisbewegung
Magnetfeld sowie zur Veran- des Teilchens erarbeitet.
potentielle Energie im treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die
schaulichung der Definition der
elektrischen Feld, Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genau- Dazu wird der Begriff des magnetischen Feldes ein-
magnetischen Feldstärke,
Energie bewegter La- igkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine geführt sowie die Veranschaulichung magnetischer
dungsträger, vorgegebene Problemstellung (B1), Versuche mit z.B. Oszilloskop, Felder (inkl. Feldlinienmodell) erarbeitet.
Fadenstrahlrohr, altem (Mono-
Elektronenmasse beschreiben qualitativ die Erzeugung eines Elektro- Definition der magnetischen Feldstärke, Definition
chrom-) Röhrenmonitor o. ä. zur
nenstrahls in einer Elektronenstrahlröhre (UF1, K3), des homogenen Magnetfeldes,
(10 Ustd.) Demonstration der Lorentzkraft,
ermitteln die Geschwindigkeitsänderung eines La- Kraft auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld,
Fadenstrahlrohr zur e/m – Be-
dungsträgers nach Durchlaufen einer Spannung Herleitung der Formel für die Lorentzkraft,
stimmung (das Problem der
(auch relativistisch) (UF2, UF4, B1),
Messung der magnetischen
Feldstärke wird ausgelagert.)
27Inhalt Kompetenzen Experiment / Medium Kommentar
Die Schülerinnen und Schüler…
erläutern den Feldbegriff und zeigen dabei Gemein-
samkeiten und Unterschiede zwischen Gravitations-
feld, elektrischem und magnetischem Feld auf
(UF3, E6),
entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik,
Ein Verfahren zur Beschleunigung der Elektronen
ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorge-
sowie zur Bestimmung ihrer Geschwindigkeit wird
hen sinnvoller ist (B4, UF2, E1),
erarbeitet.
erläutern und veranschaulichen die Aussagen,
Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodel-
len, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschauli-
chung typischer Felder und interpretieren Feldlini-
enbilder (K3, E6, B4),
bestimmen die relative Orientierung von Bewe-
gungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeld-
richtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe ei-
ner Drei-Finger-Regel (UF2, E6),
leiten physikalische Gesetze (Term für die Lorentz-
kraft) aus geeigneten Definitionen und bekannten
Gesetzen deduktiv her (E6, UF2),
beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung
von Ladungsträgern in homogenen elektrischen und
magnetischen Feldern sowie in gekreuzten Feldern
(Wien-Filter, Hall-Effekt) (E1, E2, E3, E4, E5 UF1,
UF4),
schließen aus spezifischen Bahnkurvendaten bei
der e/m-Bestimmung und beim Massenspektrome-
ter auf wirkende Kräfte sowie Eigenschaften von
Feldern und bewegten Ladungsträgern (E5, UF2),
28Kontext: Aufbau und Funktionsweise wichtiger Versuchs- und Messapparaturen
Leitfrage: Wie und warum werden physikalische Größen meistens elektrisch erfasst und wie werden sie verarbeitet?
Inhaltliche Schwerpunkte: Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder ,Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern
Übergeordnete Kompetenzerwartungen: 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.
(E1) in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizieren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen präzisieren,
(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,
(B4) begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen
Fragestellungen bewerten.
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