Freistaat Sachsen Sächsisches Staatsministerium für Kultus. Lehrplan für das berufliche Gymnasium. Physik. Klassenstufe 11

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1 Freistaat Sachsen Sächsisches Staatsministerium für Kultus Lehrplan für das berufliche Gymnasium Physik Klassenstufe 11 Grundkurs Jahrgangsstufen 12 und 13 Grundkurs Physik-Ergänzung Jahrgangsstufe 12 (nur für die Fachrichtung Technikwissenschaft) Juni 1998

2 Der Lehrplan ist ab 1. April 1999 bis zu seiner endgültigen Inkraftsetzung zur Erprobung freigegeben. I m p r e s s u m Der Lehrplan wurde unter geschäftsführender Leitung des Sächsischen Staatsinstituts für Bildung und Schulentwicklung Comenius-Institut Dresdner Straße 78 c Radebeul von Dr. Dieter Bartneck Dresden (Vorsitzender der Lehrplankommission) Günter Mülot Gunter Waurig Dresden Pirna erarbeitet. HERAUSGEBER Sächsisches Staatsministerium für Kultus Carolaplatz Dresden HERSTELLUNG UND VERTRIEB Stoba-Druck GmbH Am Mart Lampertswalde Best.-Nr.: 98/L Der Lehrplan wurde auf chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.

3 Klassenstufe 11 Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufen 12 und 13 Inhaltsverzeichnis Seite Vorbemerkung 4 Aufbau und Verbindlichkeit der Einzellehrpläne 5 Einzellehrplan Physik 6 Kurzcharakteristik 6 Übersicht über die Lehrplaneinheiten und Zeitrichtwerte 8 Klassenstufe Grundkurs Jahrgangsstufen 12 und Grundkurs Physik-Ergänzung Jahrgangsstufe

4 Klassenstufe 11 Jahrgangsstufen 12 und 13 Physik Berufliches Gymnasium Vorbemerkung Die Verfassung des Freistaates Sachsen bestimmt in Artikel 101 den übergreifenden Bildungs- und Erziehungsauftrag für das gesamte Bildungswesen: "Die Jugend ist zur Ehrfurcht vor allem Lebendigen, zur Nächstenliebe, zum Frieden und zur Erhaltung der Umwelt, zur Heimatliebe, zu sittlichem und politischem Verantwortungsbewusstsein, zu Gerechtigkeit und zur Achtung vor der Überzeugung des anderen, zu beruflichem Können, zu sozialem Handeln und zu freiheitlich demokratischer Haltung zu erziehen." Das sächsische Schulgesetz formuliert in 1 den Bildungs- und Erziehungsauftrag der Schule: "Der Erziehungs- und Bildungsauftrag der Schule wird bestimmt durch das Recht eines jeden jungen Menschen auf eine seinen Fähigkeiten und Neigungen entsprechende Erziehung und Bildung ohne Rücksicht auf Herkunft oder wirtschaftliche Lage. Die schulische Bildung soll zur Entfaltung der Persönlichkeit der Schüler in der Gemeinschaft beitragen. Diesen Auftrag erfüllt die Schule, indem sie Kenntnisse, Fähigkeiten und Werthaltungen vermittelt, um so die Erziehungs- und Bildungsziele zu erreichen und Freude am Lernen zu wecken. Das Grundgesetz für die Bundesrepublik und die Verfassung des Freistaates Sachsen bilden hierfür die Grundlage." Für das berufliche Gymnasium gilt 12 des Sächsischen Schulgesetzes: "Das berufliche Gymnasium vermittelt durch allgemeinbildende und berufsbezogene Unterrichtsinhalte eine Bildung, die zur Aufnahme eines Hochschulstudiums oder einer qualifizierten Berufsausbildung befähigt. Das berufliche Gymnasium baut auf einem mittleren Bildungsabschluss auf, dauert drei Schuljahre und verleiht die Allgemeine Hochschulreife. Es umfasst eine Einführungsphase und die Jahrgangsstufen 12 und 13." Neben diesen landesspezifischen gesetzlichen Grundlagen sind die in der "Vereinbarung zur Gestaltung der gymnasialen Oberstufe in der Sekundarstufe II" (Beschluss der KMK vom i. d. F ) festgeschriebenen Zielsetzungen der gymnasialen Oberstufe umzusetzen. 4

5 Klassenstufe 11 Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufen 12 und 13 Aufbau und Verbindlichkeit der Einzellehrpläne Jeder Einzellehrplan enthält eine Kurzcharakteristik sowie eine Darstellung der Lehrplaneinheiten (LPE) mit Zeitrichtwerten in Unterrichtsstunden (Ustd.), Zielen, Inhalten und Hinweisen zum Unterricht. Die Ziele bilden die entscheidende Grundlage für die didaktisch begründete Gestaltung des Lehrens und Lernens an den berufsbildenden Schulen. Sie geben verbindliche Orientierungen über die Qualität der Leistungs- und Verhaltensentwicklung der Schülerinnen und Schüler und sind damit eine wichtige Voraussetzung für die eigenverantwortliche Vorbereitung des Unterrichts durch die Lehrkräfte. Es werden drei wesentliche Dimensionen von Zielen berücksichtigt: - Kenntnisse (Wissen), - Fähigkeiten und Fertigkeiten (intellektuelles und praktisches Können), - Verhaltensdispositionen und Wertorientierungen (Wollen). Diese drei Dimensionen sind stets miteinander verknüpft und bedingen sich gegenseitig. Ihre analytische Unterscheidung im Lehrplan ist insbesondere mit Blick auf die spätere Unterrichtsplanung sinnvoll, um die Intentionen von Lehr- und Lernprozessen genauer zu akzentuieren. Die Inhalte werden in Form von stofflichen Schwerpunkten festgelegt und in der Regel nach berufssystematischen und/oder fachsystematischen Prinzipien geordnet. Zusammenhänge innerhalb einer Lehrplaneinheit und Verbindungen zu anderen Lehrplaneinheiten werden ausgewiesen. Die Hinweise zum Unterricht umfassen methodische Vorschläge, wie bevorzugte Unterrichtsverfahren und Sozialformen, Beispiele für exemplarisches Lernen, wünschenswerte Schüler- und Lehrerhandlungen sowie Hinweise auf geeignete Unterrichtshilfen (Medien). Des Weiteren werden unterrichtspraktische Erfahrungen in Form kurzer didaktischer Kommentare wissenschaftlich reflektiert aufgeführt. Die Ziele und Inhalte sind verbindlich. Zeitrichtwerte der einzelnen Lehrplaneinheiten sind Empfehlungen und können, soweit das Erreichen der Ziele gewährleistet ist, variiert werden. Hinweise zum Unterricht haben gleichfalls Empfehlungscharakter. Im Rahmen dieser Bindung und unter Berücksichtigung des sozialen Bedingungsgefüges schulischer Bildungs- und Erziehungsprozesse bestimmen die Lehrkräfte die Themen des Unterrichts und treffen ihre didaktischen Entscheidungen in freier pädagogischer Verantwortung. Für die Gestaltung der Lehrplaneinheiten wird folgende Form gewählt: Lehrplaneinheit Zeitrichtwert: Ustd. Ziele Inhalte Hinweise zum Unterricht 5

6 Klassenstufe 11 Jahrgangsstufen 12 und 13 Physik Berufliches Gymnasium Einzellehrplan Physik Kurzcharakteristik Die Erkenntnisse der Grundlagenwissenschaft Physik sind wichtiger Bestandteil eines modernen Weltbildes. Die technische Nutzung physikalischer Gesetzmäßigkeiten hat unsere Lebensbedingungen entscheidend verändert. Die Bewältigung der Herausforderungen unserer Zeit ist ohne die Nutzbarmachung neuer Ergebnisse physikalischer Forschung nicht denkbar. Die Kenntnis wesentlicher Fakten und Prinzipien der Physik, die Beherrschung grundlegender Methoden und Verfahren und die kritische Auseinandersetzung mit gesellschaftlichen Konsequenzen der Nutzung physikalischer Erkenntnisse sind Voraussetzung für die erfolgreiche berufliche Entwicklung eines Abiturienten. Für den Physikunterricht am beruflichen Gymnasium ergeben sich daraus folgende Richtziele: - Die Schülerinnen und Schüler kennen wichtige Phänomene, Gesetze und Modellvorstellungen der Physik und können grundlegende Zusammenhänge in ihrer mathematischen Form darstellen. - Sie verfügen über sichere Fertigkeiten im Umgang mit physikalischen Größen, Einheiten und Größengleichungen und im Gebrauch der Fachsprache. - Sie können einfache Experimente selbstständig planen, durchführen und auswerten und die Ergebnisse kritisch bewerten. - Sie kennen die große Bedeutung technischer Anwendungen der Physik und schätzen gesellschaftliche Folgen der Nutzung physikalischer Erkenntnisse, insbesondere für die natürliche Umwelt, verantwortungsbewusst ein. - Sie werden durch ihre experimentelle Tätigkeit und ihre Beiträge zur Gestaltung des Unterrichts zum selbstständigen Wissenserwerb sowie zur Kooperation und Kommunikation befähigt. - Sie erfahren den Beitrag der Physik zur Kultur- und Zivilisationsgeschichte und kennen die Wechselbeziehungen mit anderen Naturwissenschaften, der Philosophie und weiteren Bereichen der menschlichen Gesellschaft. Der Unterricht in Klasse 11 knüpft an die Alltagsvorstellungen der Schülerinnen und Schüler an und bereitet mit der Vertiefung von Kenntnissen, Fähigkeiten und Fertigkeiten aus der Mechanik den Übergang zum Kurssystem vor. In den Kursen der Jahrgangsstufe 12 und 13 werden die Schülerinnen und Schüler an Beispielen ausgewählter Teilgebiete der klassischen und modernen Physik in die Erkenntnisse, Denk- und Arbeitsweisen der Fachwissenschaft eingeführt und erlernen Grundlagen der Methodik wissenschaftlichen Arbeitens. Der Physikunterricht am beruflichen Gymnasium nutzt in zunehmendem Maße die mathematischen Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler. Er demonstriert den Einsatz des Computers bei der Durchführung und Auswertung von Experimenten sowie bei der Simulation von Vorgängen aus Natur und Technik. Es werden Grundlagen für das Studium weiterer Naturwissenschaften, insbesondere der Chemie und der Biologie, aber auch der Technik und der Informatik vermittelt. 6

7 Klassenstufe 11 Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufen 12 und 13 Hinweis In Klasse 11 sind verbindlich mindestens drei Schülerexperimente durchzuführen. Dazu kann aus den im Lehrplan mit SE gekennzeichneten Experimenten bzw. eigenen Vorschlägen ausgewählt werden. Die mit Z gekennzeichneten Inhalte dienen der Ergänzung der verbindlichen Unterrichtsinhalte und können vom Lehrer wahlweise in Abhängigkeit vom Leistungsstand der Schülerinnen und Schüler und der im Schuljahr zur Verfügung stehenden Zeit zusätzlich behandelt werden. Für die Schülerinnen und Schüler an beruflichen Gymnasien der Fachrichtung Technik wird in der Jahrgangsstufe 12 ein Grundkurs Physik-Ergänzung zum Thema Thermodynamik in Natur, Technik und Umwelt mit erweiterten Möglichkeiten für Schülerexperimente und Exkursionen angeboten. In diesem Kurs soll die selbstständige Tätigkeit der Schüler im Mittelpunkt stehen. Der Lehrer erhält Spielraum, den Unterricht abweichend von den üblichen Organisationsformen zu gestalten und fächerübergreifende Möglichkeiten zu nutzen. Im Kurs 12.1 erweitern die Schülerinnen und Schüler ihre Kenntnisse zur Beschreibung des Zustands eines thermodynamischen Systems und erkennen den Zusammenhang zur kinetisch-statistischen Betrachtungsweise. Sie erarbeiten sich die grundlegenden Gesetze zur Erklärung technischer Anwendungen und zum Verständnis von Problemen technischer Energieumwandlungsprozesse. Schwerpunkt des Kurses 12.2 ist die Anwendung der Kenntnisse auf Beispiele der Natur, Technik und Umwelt durch die Wahl eines oder mehrerer geeigneter Themen in Abstimmung mit den Schülerinnen und Schülern. Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, die Vorgänge in Grundzügen mit physikalischen Gesetzen zu erklären und in einfachen Fällen zu berechnen. In Exkursionen informieren sie sich über moderne Lösungen von Problemen der technischen Nutzung von Energie. Sie sind sich der gesellschaftlichen und ökologischen Bedeutung von Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet bewusst. 7

8 Klassenstufe 11 Jahrgangsstufen 12 und 13 Physik Berufliches Gymnasium Übersicht über die Lehrplaneinheiten und Zeitrichtwerte Klassenstufe 11 Mechanik Summe der Zeitrichtwerte: 76 Ustd. 1 Kinematik 14 Ustd. 2 Dynamik 10 Ustd. 3 Arbeit, Energie, Leistung 10 Ustd. 4 Kraftstoß, Impuls 8 Ustd. 5 Kreisbewegung 8 Ustd. 6 Gravitation 10 Ustd. Zeit für Vertiefungen, Wiederholungen und Leistungsnachweise 16 Ustd. Grundkurs Jahrgangsstufen 12 und 13 Summe der Zeitrichtwerte: 236 Ustd. Kurs 12.1 Elektrizitätslehre 7 Elektrisches Feld 15 Ustd. 8 Magnetisches Feld 10 Ustd. 9 Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern 10 Ustd. 10 Elektrische Leitungsvorgänge 10 Ustd. Zeit für Vertiefungen, Wiederholungen und Leistungsnachweise 15 Ustd. Kurs 12.2 Elektrizitätslehre und Schwingungen / Wellen 11 Elektromagnetische Induktion 20 Ustd. 12 Mechanische und elektromagnetische Schwingungen 25 Ustd. 13 Physikalisches Praktikum 20 Ustd. Zeit für Vertiefungen, Wiederholungen und Leistungsnachweise 15 Ustd. Kurs 13.1 Schwingungen / Wellen und Atomphysik 14 Mechanische und elektromagnetische Wellen 25 Ustd. 15 Einführung in die Quantenphysik 20 Ustd. Zeit für Vertiefungen, Wiederholungen und Leistungsnachweise 15 Ustd. 8

9 Klassenstufe 11 Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufen 12 und 13 Kurs 13.2 Festkörperphysik und Wahlthemen 16 Einführung in die Festkörperphysik 14 Ustd. 17 Wahlthemen 14 Ustd. Relativitätstheorie und Kosmologie Elementarteilchen Thermodynamik und Synergetik Einführung in die Kernphysik Freies Wahlthema Zeit für Vertiefungen, Wiederholungen und Leistungsnachweise 8 Ustd. Grundkurs Physikergänzung* Jahrgangsstufe 12 Summe der Zeitrichtwerte: 80 Ustd. Thermodynamik in Natur, Technik und Umwelt Kurs 12.1 Grundlagen der Thermodynamik 1 Zustandsgrößen 8 Ustd. 2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik 10 Ustd. 3 Die Verfügbarkeit der Energie 6 Ustd. 4 Praktikum 6 Ustd. Zeit für Vertiefungen, Wiederholungen und Leistungsnachweise 10 Ustd. Kurs 12.2 Anwendungen der Thermodynamik 5 Wahlthemen 30 Ustd. Wärmekraftmaschinen Wärmeübertragung Wetter und Klima Regenerative Energien Zeit für Vertiefungen, Wiederholungen und Leistungsnachweise 10 Ustd. *) Nur für die Fachrichtung Technikwissenschaft. 9

10 Klassenstufe 11 Physik Berufliches Gymnasium Klassenstufe 11 Mechanik 1 Kinematik Zeitrichtwert: 14 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler können einfache Bewegungsabläufe mit Hilfe von Tabellen und Diagrammen erfassen und durch Gesetze quantitativ beschreiben. Sie sind in der Lage, das Unabhängigkeitsprinzip bei der Überlagerung von Bewegungen anzuwenden und bewältigen auch die Lösung etwas komplexerer Problemstellungen. Sie erfahren die Bedeutung des Computers für die Erfassung und Auswertung von Messungen und die Simulation experimentell schwer darstellbarer Vorgänge. Grundlagen vgl. Physik, Mittelschule, Klassen 6 und 9 - Basisgrößen und abgeleitete Größen - Einheiten, SI- Einheiten - Modell Massenpunkt - Abhängigkeit der Beschreibung vom Bezugssystem - Geschwindigkeit als vektorielle Größe Kennzeichen eines Vektors, Vektoraddition Bewegungsgesetze - geradlinig gleichförmige Bewegung und Definition der Geschwindigkeit - geradlinig gleichmäßig beschleunigte Bewegung und Definition der Beschleunigung Messwerterfassung mittels Computer Auswertung von s-t, v-t und a-t-diagrammen Berücksichtigung von systematischen und zufälligen Fehlern Überholvorgänge SE: experimentelle Ermittlung von Geschwindigkeit und Beschleunigung Wurfbewegungen - freier Fall G. Galilei - senkrechter Wurf nach oben bzw. unten Überlagerungsprinzip - waagerechter Wurf, Herleitung der Bahngleichung Computersimulationen von Wurfbahnen mit und ohne Luftwiderstand Z: schräger Wurf 10

11 Berufliches Gymnasium Physik Klassenstufe 11 2 Dynamik Zeitrichtwert: 10 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler kennen Kräfte als Ursache von Verformungen und Bewegungsänderungen. Sie wissen, dass die Newton schen Gesetze eine Möglichkeit zur Beschreibung fast aller mechanischen Vorgänge bieten. Sie besitzen Sicherheit beim Erkennen, Darstellen und Lösen von Problemstellungen aus der Mechanik. Ihnen ist die Bedeutung der Leistungen großer Wissenschaftler für die historische Entwicklung der klassischen Physik bewusst, sie kennen aber auch die Grenzen dieser klassischen Betrachtungsweise. Kraftbegriff vgl. Physik, Mittelschule, Klassen 7 und 9 - Kraft als Ursache von Verformungen und Bewegungsänderungen - Kraft als Vektor Newton sche Gesetze - Trägheitsgesetz I. Newton - Grundgesetz - Wechselwirkungsgesetz Gewichts-, Feder- und Reibungskräfte - Zusammenhang zwischen Masse und Gewichtskraft - Hooke sches Gesetz SE: lineare und nichtlineare Dehnungskurven - Haftreibung und Gleitreibung Kräfte an der geneigten Ebene Übungsaufgaben mit Reibung Z: Druck, Auftrieb Z: Luftwiderstand lineare und quadratische Abhängigkeit von der Geschwindigkeit 11

12 Klassenstufe 11 Physik Berufliches Gymnasium 3 Arbeit, Energie, Leistung Zeitrichtwert: 10 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler können zwischen der Prozessgröße Arbeit und der Zustandsgröße Energie unterscheiden. Sie kennen die besondere Bedeutung des Energieprinzips in der Physik und nutzen den Energieerhaltungssatz zur Vereinfachung der Lösung von Anwendungsaufgaben. Arbeit vgl. Physik, Mittelschule, Klassen 7 und 9 - Definition der Arbeit - Arbeit als Prozessgröße Formen der Arbeit, Herleitung der Berechnungsformeln - Hubarbeit - Beschleunigungsarbeit - Spannarbeit - Reibungsarbeit Energie - Energie als Zustandsgröße - Energieformen - Erhaltungssatz für abgeschlossene und nicht abgeschlossene Systeme Leistung Wirkungsgrad Ermittlung der Arbeit aus dem F-s-Diagramm Übungsaufgaben unter Einbeziehung der Reibung und unterschiedlicher Pendelsysteme Momentan- und Durchschnittsleistung SE: Leistung und Wirkungsgrad bei Elektromotoren Z: Bernoulli sche Gleichung als spezielle Form des Energieerhaltungssatzes 12

13 Berufliches Gymnasium Physik Klassenstufe 11 4 Kraftstoß, Impuls Zeitrichtwert: 8 Ustd. Als weitere Erhaltungsgröße kennen die Schülerinnen und Schüler den Impuls. Analog zu Arbeit und Energie können sie zwischen der Prozessgröße Kraftstoß und der Zustandsgröße Impuls unterscheiden. Bei der rechnerischen Behandlung von geraden zentralen Stößen sind die Schülerinnen und Schüler in der Lage, den Energieund den Impulserhaltungssatz anzuwenden. Kraftstoß und Impuls - Definition der Größen - Zusammenhang zwischen Kraftstoß und Impulsänderung Impulserhaltungssatz Stoßprozesse - elastischer Stoß - unelastischer Stoß Anwenden des Impulserhaltungssatzes auf Systeme mit zwei Körpern Computersimulation rechnerische Behandlung an Beispielen aus Sport, Verkehr, Technik, Atomphysik SE: Impulsbestimmung Z: Spezialfälle des elastischen Stoßes Interpretieren unterschiedlicher Massenverhältnisse Z: Raketenantrieb 13

14 Klassenstufe 11 Physik Berufliches Gymnasium 5 Kreisbewegung Zeitrichtwert: 8 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler haben Kenntnisse zu Begriffen der Kinematik und Dynamik der Kreisbewegung. Sie kennen die Gesetze der gleichförmigen Kreisbewegung und begreifen ihre Bedeutung für die Technik. Kinematik der Kreisbewegung - Bahngeschwindigkeit - Drehwinkel - Winkelgeschwindigkeit - Winkelbeschleunigung - Radialbeschleunigung Beschränkung auf gleichförmige Bewegung, Abgrenzung zur Rotation Dynamik der Kreisbewegung - Radialkraft Radialkraft als Kraft, die zur Aufrechterhaltung einer Kreisbewegung erforderlich ist und keine Arbeit verrichtet - Zentrifugalkraft Kurvenneigung bei Verkehrswegen, Aufgaben unter Einbeziehung des Energieerhaltungssatzes, z. B. Loopingbahn Z: Rotation Z: Trägheitsmoment Z: Drehmoment 14

15 Berufliches Gymnasium Physik Klassenstufe 11 6 Gravitation Zeitrichtwert: 10 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler kennen Zusammenhänge zwischen Physik, Philosophie und Religion und erfahren durch den Vergleich überlieferter astronomischer Weltbilder mit dem derzeitigen Weltbild Grenzen dieser Gebiete. Sie kennen die Gesetze der Himmelsmechanik und ihre Begründung mit Hilfe der Feldtheorie. Astronomische Weltbilder Gravitationsgesetz Planetenbewegungen Ausblick zum Feldbegriff Vorstellungen von Ptolemäus, Kopernikus, Galilei, Kepler und Newton Newton sche Mondrechnung Bedeutung der Gravitationskonstanten Möglichkeit der experimentellen Bestimmung Kepler sche Gesetze, Zusammenhang zum Gravitationsgesetz für Kreisbahnen Definition des Gravitationsfeldes als Raum, in dem Massen Gravitationskräfte erfahren Gravitationsfeldstärke als Quotient aus Gravitationskraft und Masse Z: Satellitenbewegungen Computersimulation 15

16 Grundkurs Jahrgangsstufe 12 Physik Berufliches Gymnasium Grundkurs Jahrgangsstufe 12 Kurs 12.1 Elektrizitätslehre 7 Elektrisches Feld Zeitrichtwert: 15 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler kennen die grundlegenden physikalischen Größen zur quantitativen Beschreibung physikalischer Felder und können die Begriffe der Theorie des elektrischen Feldes sprachlich exakt darstellen. Sie haben einen Überblick über die historische Entwicklung des Wissens in der Elektrizitätslehre. Die Analogie zwischen Gravitationsfeld und elektrischem Feld ist ihnen bewusst. Sie wissen, dass physikalische Felder Träger von Energie sind. Grundlagen der Elektrostatik vgl. Physik, Mittelschule, Klassen 7, 8 und 9 - Eigenschaften von Ladungen - Nachweis von Ladungen Elektroskop, Galvanometer - Influenz Kräfte zwischen Ladungen, Coulomb sches Gesetz Elektrische Stromstärke - Widerstand - Ohm sches Gesetz Analogie zum Gravitationsgesetz zeitlich konstanter Strom Elektrisches Feld M. Faraday - Definition - Nachweis - Feldlinienbilder - homogenes Feld, Radialfeld - elektrische Feldstärke homogenes Feld, Radialfeld - elektrische Spannung und Potential homogenes Feld - elektrische Arbeit und Energie homogenes Feld Kondensator - Kapazität - gespeicherte Energie - elektrische Feldkonstante, Dielektrika - Lade- und Entladevorgang Millikan-Experiment Z: Xerografie Z: elektrostatische Filter 16

17 Grundkurs Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufe 12 8 Magnetisches Feld Zeitrichtwert: 10 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler können magnetische Wechselwirkungen beschreiben und haben vertiefte Kenntnisse zum Feldbegriff. Sie kennen die grundlegenden physikalischen Größen zur quantitativen Beschreibung des magnetischen Feldes. Im Vergleich mit elektrischem Feld und Gravitationsfeld sind sie in der Lage, Gemeinsamkeiten und Unterschiede darzustellen. Magnetische Grunderscheinungen vgl. Physik, Mittelschule, Klasse 9 H. C. Oersted Magnetisches Feld - Nachweis magnetischer Felder - Feldlinienbilder - Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld - magnetische Flussdichte - Magnetfeld einer langen Spule - magnetische Feldkonstante, Permeabilitätszahl Unterschiede zum elektrischen und Gravitationsfeld Drehspulmessgerät, Elektromotor, Linearmotor Z: Magnetfeld der Erde Z: magnetische Hysterese Z: Erzeugung großer Flussdichten 17

18 Grundkurs Jahrgangsstufe 12 Physik Berufliches Gymnasium 9 Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern Zeitrichtwert: 10 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler können ihre Kenntnisse über elektrische und magnetische Felder anwenden. Unter Einbeziehung bekannter Gesetze aus der Mechanik sind sie in der Lage, Gleichungen für die Bahnen geladener Teilchen in homogenen Feldern herzuleiten und diese für die Lösung gegebener Problemstellungen zu nutzen. Dabei haben sie einen Einblick in Anwendungen aus Forschung, Medizin und Technik. Bewegung von Ladungsträgern im homogenen elektrischen Feld - Anfangsgeschwindigkeit in Richtung der Feldlinien - Anfangsgeschwindigkeit senkrecht zur Richtung der Feldlinien - Herleitung der Bahngleichungen vgl. Physik, Mechanik, Klasse 11 Analogie zu Wurfbewegungen Arbeitsweise eines Oszilloskops Z: Eigenschaften von Katodenstrahlung Demonstration verschiedener Elektronenröhren Bewegung von Ladungsträgern im homogenen magnetischen Feld - Lorentzkraft - Bewegung auf einer Kreisbahn - Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons - Herleitung der Gleichung Z: Hall-Effekt Bewegung von Ladungsträgern in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern und Anwendungen Massenspektrograf, Wien sches Filter, Teilchenbeschleuniger, Elektronenmikroskop 18

19 Grundkurs Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufe Elektrische Leitungsvorgänge Zeitrichtwert: 10 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler erfahren am Beispiel des allgemeinen Modells elektrischer Leitungsvorgänge die Bedeutung von Modellen und Analogiebetrachtungen für die Ableitung von Erkenntnissen. Sie können das Modell auf Leitungsvorgänge in Metallen, Halbleitern, Gasen und im Vakuum anwenden und sind in der Lage, das Funktionsprinzip von Bauelementen zu verstehen und deren Kennlinien zu interpretieren. Allgemeines Modell elektrischer Leitungsvorgänge vgl. Physik, Mittelschule, Klasse 9 Leitungsvorgänge in - Metallen Temperaturabhängigkeit des Ohm schen - Halbleitern Widerstandes - Gasen Ionisation, Gasentladung - Vakuum Glühemission, Fotoemission Energietransport durch das elektrische und magnetische Feld Strom-Spannungs-Kennlinie Anwendungen Bauelemente, z. B. - Glühlampe - Thermistor, Halbleiterdiode, Transistor - Leuchtstofflampe Z: Gleichrichter- und Transistorschaltungen 19

20 Grundkurs Jahrgangsstufe 12 Physik Berufliches Gymnasium Kurs 12.2 Elektrizitätslehre und Schwingungen / Wellen 11 Elektromagnetische Induktion Zeitrichtwert: 20 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler kennen die enge Verknüpfung von Elektrizität und Magnetismus. Bei der mathematischen Beschreibung von Induktionsvorgängen können sie Elemente der Differentialrechnung anwenden. Sie erfahren die Bedeutung von Induktionsvorgängen für die Erzeugung und Übertragung von Elektroenergie. Induktionsgesetz vgl. Physik, Mittelschule, Klasse 9 - Induktion einer Spannung im zeitlich konstanten Magnetfeld - Induktion einer Spannung im zeitlich veränderlichen Magnetfeld - magnetischer Fluss - differentielle Formulierung des Induktionsgesetzes Herleitung der Gleichung Lenz sches Gesetz und Wirbelströme Zusammenhang mit Energieerhaltungssatz Selbstinduktion - Induktivität - Herleitung der Gleichung Energie des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen Anwendungen Generator, Motor, Zündspule, Transformator Z: Wechselstromwiderstände 20

21 Grundkurs Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufe Mechanische und elektromagnetische Schwingungen Zeitrichtwert: 25 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, ihr Wissen aus Mechanik und Elektrizitätslehre für die Beschreibung von Schwingungsvorgängen zu nutzen. Sie können Schwingungen in Diagrammen darstellen, Schwingungsaufzeichnungen auswerten sowie harmonische Schwingungen quantitativ erfassen und den Nachweis führen, dass ein System harmonisch schwingt. Für die Berechnung von Geschwindigkeit und Beschleunigung eines Schwingers sind sie in der Lage, die Differentialrechnung anzuwenden. Ihnen ist die große technische Bedeutung von Schwingungsvorgängen bewusst. Sie können den Energieerhaltungssatz bei der Lösung von Aufgaben anwenden. Mechanische Schwingungen vgl. Physik, Mittelschule, Klasse 10 - Grundbegriffe Merkmale einer Schwingung Auslenkung, Amplitude, Periodendauer, Frequenz - harmonische Schwingungen Herleitung der Gleichung durch Vergleich von harmonischer Schwingung und Kreisbewegung - lineares Kraftgesetz als Voraussetzung für harmonische Schwingung Z: Schwingungsdifferentialgleichung - Periodendauer von Fadenpendel und Herleitung der Gleichungen aus Kraft- Federschwinger gesetz - Energieumwandlungen - Dämpfung technische Bedeutung - erzwungene Schwingungen, Resonanz Z: chaotische Bewegung von Schwingern Bifurkation Elektromagnetische Schwingungen Schwingkreis - Thomson sche Schwingungsgleichung Herleitung aus Analogiebetrachtungen zur Mechanik - Resonanz Z: Prinzip der Rückkopplungsschaltung Meißner-Oszillator Z: Modulation, Demodulation Abstimmkreis, Nachrichtenübertragung 21

22 Grundkurs Jahrgangsstufe 12 Physik Berufliches Gymnasium 13 Physikalisches Praktikum Zeitrichtwert: 20 Ustd. Bei der Planung, Durchführung und Auswertung der Experimente erlangen die Schülerinnen und Schüler zunehmend Selbstständigkeit. Ihnen ist die Bedeutung des Experiments für die Gewinnung und Bestätigung von Erkenntnissen bewusst. Sie besitzen die Fähigkeit zu Kommunikation und Kooperation. Entsprechend den Möglichkeiten der Schule sollen mindestens sechs Experimente durchgeführt werden. Aus jeder der drei Gruppen muss ein Experiment ausgewählt werden. Die Vorschläge können durch weitere Experimente ergänzt werden. Grundlagen der Fehlerrechnung - zufällige und systematische Fehler - Normalverteilung, Erwartungswert - Standardabweichung, Vertrauensbereich Bestimmung physikalischer Konstanten - Fallbeschleunigung - Elementarladung - spezifische Ladung des Elektrons - Dielektrizitätszahl, Permeabilitätszahl Experimentelle Bestätigung physikalischer Gesetze - Wurf- und Fallgesetze - Radialkraftmessung - Stoßpendel - Bestimmung des Wirkungsgrades - Laden und Entladen eines Kondensators - Periodendauer - gekoppelte Schwinger - Rückkopplung Technische Anwendungen - Motor, Generator - Transformator - Transistorverstärker - Gleichrichtung von Wechselspannung - Kennlinien von Bauelementen - Diodenempfänger Nutzung der Statistikfunktionen des Taschenrechners bzw. des Computers Die Bestimmung physikalischer Konstanten zielt auf die Ermittlung eines Zahlenwertes, hier ist die Fehlerbetrachtung bei der Auswertung von zentraler Bedeutung. Der Schwerpunkt der Auswertung von Experimenten zur Bestätigung physikalischer Gesetze liegt auf der Gewinnung aussagekräftiger grafischer Darstellungen, die Rückschlüsse auf die zu Grunde liegenden Gesetze zulassen. Ziel der Versuche zu technischen Anwendungen ist der Aufbau von Funktionsmodellen. 22

23 Grundkurs Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufe 13 Jahrgangsstufe 13 Kurs 13.1 Schwingungen / Wellen und Atomphysik 14 Mechanische und elektromagnetische Wellen Zeitrichtwert: 25 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler kennen die Bedeutung der Mathematik für die quantitative Beschreibung physikalischer Sachverhalte und erfahren, wie die für mechanische Wellen gewonnenen Ergebnisse auf elektromagnetische Wellen übertragen werden können. Die umfassende Nutzung der Erkenntnisse aus Optik und Elektrodynamik in der modernen Kommunikationsgesellschaft wird ihnen bewusst. Mechanische Wellen vgl. Physik, Mittelschule, Klasse 10 - Grundbegriffe Merkmale einer Welle Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit - lineare Wellen Transversal- und Longitudinalwelle Gleichung der linearen harmonischen Welle Reflexion Überlagerung stehende Wellen Demonstration von Seil-, Wasser- und Schallwellen Computersimulation Tonerzeugung bei Musikinstrumenten - ebene Wellen Demonstration an Wasserwellen Ausbreitung Huygens sches Prinzip Eigenschaften ebener Wellen Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz Z: Doppler-Effekt Elektromagnetische Wellen H. Hertz und J.C. Maxwell - Entstehung, Ausbreitung im Vakuum, Demonstration an Mikrowellen, Eigenschaften Hertz scher Dipol, Ätherhypothese - elektromagnetisches Spektrum technische Anwendungen - Eigenschaften von Lichtwellen Lichtgeschwindigkeit Brechung, Totalreflexion Beugung, Interferenz an Doppelspalt und Gitter, Herleitung der Gleichung Kohärenz Polarisation Z: Maxwell sche Gleichungen (qualitativ) historische Experimente optische Instrumente, Lichtleiter additive und subtraktive Farbmischung Anwendungen 23

24 Grundkurs Jahrgangsstufe 13 Physik Berufliches Gymnasium 15 Einführung in die Quantenphysik Zeitrichtwert: 20 Ustd. Am Beispiel ausgewählter experimenteller Ergebnisse erfahren die Schülerinnen und Schüler die Grenzen der klassischen physikalischen Vorstellungen. Ihnen ist die Notwendigkeit bewusst, diese Vorstellungen durch neuartige zu ersetzen, wobei der Vorzug der Anschaulichkeit der klassischen Physik verloren geht. Die Schülerinnen und Schüler können darstellen, wie durch die Nutzung quantenmechanischer Erkenntnisse völlig neue technische Möglichkeiten erschlossen werden. Lichtquanten - Fotoeffekt Grundeffekt Planck sche Quantenhypothese Einstein sche Gleichung - Welle-Teilchen-Eigenschaften bei Licht historische Einordnung, Demonstration (qualitativ) Bestimmung des Planck schen Wirkungsquantums Z: Franck-Hertz-Versuch Z: Compton-Effekt Materiewellen - Doppelspaltversuch mit Elektronen Demonstration der Elektronenbeugung, Elektronenmikroskop - Welle-Teilchen-Eigenschaften bei Materie Unschärferelation, De-Broglie-Beziehung, Heisenberg sche Wellenpakete Physik der Atomhülle - Wasserstoffspektrum experimentelle Ergebnisse Bohr sche Deutung quantenmechanische Deutung Z: Schrödinger-Gleichung - Spektren Linienspektren, kontinuierliche Spektren Emissionsspektren, Absorptionsspektren Röntgenspektren induzierte Emission und LASER Systematik des Atombaus Balmer sche Serienformel Energieniveauschema Analogie zu stehenden Wellen Demonstration Energiebänder Spektralanalyse Längenmessung, Holografie, CD-ROM-Technik Periodensystem 24

25 Grundkurs Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufe 13 Kurs 13.2 Festkörperphysik und Wahlthemen 16 Einführung in die Festkörperphysik Zeitrichtwert: 14 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler kennen einige wesentliche Festkörpereigenschaften und ihren Zusammenhang mit der Mikrostruktur. Sie sind in der Lage, ihre Kenntnisse aus dem vorangegangenen Unterricht zum Verständnis der komplexen Prozesse in Festkörpern anzuwenden und kennen die große Bedeutung festkörperphysikalischer Effekte in der Technik. Struktur von Festkörpern - Kristallgitter dichteste Kugelpackung kfz-, hexagonales und krz-gitter Am beruflichen Gymnasium der Fachrichtung Technikwissenschaft (tgy) sollte durch eine Auswahl aus den mit Z gekennzeichneten Inhalten entsprechend dem Schwerpunkt des tgy eine Überschneidung mit Inhalten des Technikunterrichts ausgeschlossen werden. vgl. Technikunterricht Modelle - Röntgenstrukturanalyse Bragg-Reflexion Laue-Verfahren Debye-Scherrer-Verfahren - Gittertypen und chemische Bindung vgl. Chemie, Klasse 11 Ionenbindung kovalente Bindung Metallbindung - Gitterdefekte Metalle - mechanische Eigenschaften Demonstration Elastizität Spannung, Dehnung, Elastizitätsmodul, Poisson-Zahl Plastizität Schubspannung, Abgleitung, Versetzungen, Verfestigung - Wärmeleitung Bändermodell - elektrische Leitfähigkeit Z: mechanische Ermüdung Z: magnetische Eigenschaften Z: Supraleitung Z: Tunneleffekt Para-, Dia- und Ferromagnetismus, Barkhausen-Effekt Meißner-Ochsenfeld-Effekt Raster-Tunnel-Mikroskopie 25

26 Grundkurs Jahrgangsstufe 13 Physik Berufliches Gymnasium Halbleiter - reine Halbleiter, Dotierung, p-n-übergang - Bipolartransistor vgl. Physik, Kurs 12.1 Bändermodell Prinzip, Wirkungsweise Z: Feldeffekttransistor, Tunneldiode, optoelektronische Bauelemente 26

27 Grundkurs Berufliches Gymnasium Physik Jahrgangsstufe Wahlthemen Zeitrichtwert: 14 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler haben vertiefte Kenntnisse zu einem Teilgebiet der modernen Physik. Sie erfahren, dass für das Verständnis aktueller Problemstellungen ein solides Grundlagenwissen aus verschiedenen Teilgebieten erforderlich ist. Die Entscheidung für eines der Wahlthemen sollte vom Lehrer unter Berücksichtigung der Interessen der Schülerinnen und Schüler und der Ausrichtung der Schule getroffen werden. Relativitätstheorie und Kosmologie - Spezielle Relativitätstheorie - Ausblick auf die Allgemeine Relativitätstheorie - Entstehung des Universums Elementarteilchen - Beschleuniger - fundamentale Wechselwirkungen - Hadronen und Leptonen - Quarkmodell A. Einstein Nutzung von Materialien des CERN und von DESY Thermodynamik und Synergetik - Grundbegriffe - erster Hauptsatz und zweiter Hauptsatz, Irreversibilität - Grundlagen der Synergetik - chaotisches Verhalten Computersimulation Einführung in die Kernphysik - Entwicklung der Atommodelle - Radioaktivität - Kernprozesse Diskussion von Risiken und Umweltproblemen bei der Nutzung der Kernenergie Freies Wahlthema 27

28 Grundkurs Physik-Ergänzung Jahrgangsstufe 12 tgy Berufliches Gymnasium Grundkurs Physik-Ergänzung Jahrgangsstufe 12 Kurs 12.1 Grundlagen der Thermodynamik 1 Zustandsgrößen Zeitrichtwert: 8 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler wissen, welche physikalischen Größen den Zustand eines thermodynamischen Systems beschreiben und können Zustandsänderungen berechnen. Mit Hilfe des Modells des idealen Gases sind sie in der Lage, die Zustandsgrößen unter kinetisch-statistischem Aspekt zu interpretieren. Zustand eines thermodynamischen Systems - Temperatur - Volumen - Druck Zustandsänderungen - isobar - isotherm - isochor - adiabatisch phänomenologische Betrachtung Beispiele aus Natur und Technik, Computersimulation von Zustandsänderungen Zustandsdiagramme Modell des idealen Gases kinetisch-statistische Begründung der Zustandsgrößen 28

29 Physik-Ergänzung Grundkurs Berufliches Gymnasium tgy Jahrgangsstufe 12 2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zeitrichtwert: 6 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler können mittels des ersten Hauptsatzes Zustandsänderungen thermodynamischer Systeme beschreiben. Sie erkennen, wodurch der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen begrenzt ist. Qualitative und quantitative Formulierung des ersten Hauptsatzes Unmöglichkeit eines perpetuum mobile erster Art - Wärme - Volumenarbeit Anwendung der Integralrechnung - innere Energie Carnot scher Kreisprozess Wirkungsgrad 3 Die Verfügbarkeit der Energie Zeitrichtwert: 6 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der zweite Hauptsatz ein allgemeiner Erfahrungssatz ist. Sie können ihn mit den Begriffen reversibler und irreversibler Vorgang qualitativ formulieren und verstehen seine Bedeutung für die Verfügbarkeit der Energie. Sie kennen den Entropiebegriff zur Beschreibung des Zustands eines thermodynamischen Systems. Qualitative Formulierung des zweiten Hauptsatzes Unmöglichkeit eines perpetuum mobile zweiter Art Entropie - phänomenologische Definition - kinetisch-statistische Deutung Mikroskopische Zustände eines thermodynamischen Systems wahrscheinliche und weniger wahrscheinliche Zustände 29

30 Grundkurs Physik-Ergänzung Jahrgangsstufe 12 tgy Berufliches Gymnasium 4 Praktikum Zeitrichtwert: 6 Ustd. Die Schülerinnen und Schüler sind zunehmend in der Lage, Experimente selbstständig zu planen, durchzuführen und auszuwerten. Ihnen ist die Bedeutung des Experiments für die Gewinnung und Bestätigung von Erkenntnissen bewusst. Sie besitzen die Fähigkeit zu Kommunikation und Kooperation. Temperaturmessung Aggregatzustandsänderung Längen- und Volumenänderung Mischungsregel Entsprechend den Möglichkeiten der Schule sollen mindestens zwei der aufgeführten Experimente durchgeführt werden. Beispiele für Kreisprozesse z. B. Sterlingmotor, Gasturbine 30

31 Physik-Ergänzung Grundkurs Berufliches Gymnasium tgy Jahrgangsstufe 12 Kurs 12.2 Anwendungen der Thermodynamik 5 Wahlthemen Zeitrichtwert: 30 Ustd. Wärmekraftmaschinen Die Schülerinnen und Schüler können einen ausgewählten Kreisprozess analysieren. Sie sind in der Lage, die ablaufenden Zustandsänderungen und die Gültigkeit des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu erkennen. Kreisprozess Anwendung des ersten Hauptsatzes Auswahl eines Beispiels entsprechend den örtlichen Möglichkeiten z. B. Verbrennungsmotoren Wirkungsgrad - theoretisch - praktisch Wärmeübertragung Die Schülerinnen und Schüler kennen die Formen der Wärmeübertragung. An einem Beispiel haben sie die Bedeutung der dabei ablaufenden Prozesse für die Auswahl geeigneter Materialien bei technischen Konstruktionen erfahren. Wärmeleitung z. B. Wärmeenergiebilanz eines Gebäudes Wärmestrahlung Wärmeströmung 31

32 Grundkurs Physik-Ergänzung Jahrgangsstufe 12 tgy Berufliches Gymnasium Wetter und Klima Die Schülerinnen und Schüler haben erkannt, dass Wetter- und Klimaveränderungen durch physikalische Gesetze bestimmt werden. Sie kennen wesentliche Faktoren, die Wetter- und Klimaverhältnisse auf der Erde beeinflussen. Sie sind sich der großen Verantwortung der Gesellschaft für die Erhaltung der natürlichen Lebensbedingungen bewusst. Wetter - grundlegende physikalische Prozesse - Modellierung - Wettervorhersage Klima - klimabestimmende Faktoren - Klimaveränderungen - Klimamodelle und Klimaschutz Luft- und Meeresströmungen, Hoch- und Tiefdruckgebiete, Wolkenbildung und Niederschlag, chaotische Prozesse Ergebnisse der Klimabeobachtung, Einfluss von Industrie und Landwirtschaft, Ozonloch und Treibhauseffekt 32

33 Physik-Ergänzung Grundkurs Berufliches Gymnasium tgy Jahrgangsstufe 12 Regenerative Energien Die Schülerinnen und Schüler haben die wachsende Bedeutung regenerativer Energien erkannt, da fossile Energieträger nur in begrenzter Menge zur Verfügung stehen. Sie sind in der Lage, sich selbstständig über den Einsatz neuer Technologien zur Bereitstellung von Elektroenergie und Wärme für Industrie, Landwirtschaft und Haushalte in ihrer Region zu informieren. Sonnenenergie - Photovoltaik - Solarwärme - Wärmepumpen Wasser - Wasserkraftwerke - Gezeitenkraftwerke physikalische Grundlagen, technische Realisierung, Möglichkeiten und Grenzen Prinzip, Einsatzmöglichkeiten und Umweltfolgen der technischen Nutzung Wind, Windkraftwerke Weitere Möglichkeiten zur Einschränkung des Einsatzes fossiler Energieträger Kernenergie, Biogas effektive Energieübertragung und Speicherung Nutzung der Wärme-Kraft-Kopplung Hinweise zur Veränderung des Lehrplans richten Sie bitte an das Sächsische Staatsinstitut für Bildung und Schulentwicklung Comenius-Institut Dresdner Straße 78 c Radebeul 33