Schulinterner Lehrplan Qualifikationsphase Q1. Präambel

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1 Präambel Dieses Curriculum stellt keinen Maximallehrplan dar, sondern will als offenes Curriculum die Möglichkeit bieten, auf die didaktischen und pädagogischen Notwendigkeiten der Qualifikationsphase einzugehen. Das heisst, es wurde so entworfen, dass genügend Zeit für eine integrierte Wiederholung der Grundlagen aus der Sekundarstufe I und eine ab initio Behandlung von zentralen Themen der Physik möglich und vorgesehen ist. Es gelten die in den Richtlinien dargestellten Grundsätze zur Jahrgangsstufe 12 unverändert weiter, insbesondere auch die fachlichen Hinweise zum Zentralabitur Physik. Themenblöcke: Ladungen und Felder Elektromagnetismus Elektromagnetische und mechanische Schwingungen 1. Ladungen und Felder Wiederholung: - Kreisbewegung, Gravitationsfeld, Arbeit und Energie (insbesondere potentielle Energie) - skalare und vektorielle Größen (Arbeit als skalare und Kraft als vektorielle Größe), - Addition von vektoriellen Größen (Anbindung an die Parallelogrammregel) Komponentendarstellung von vektoriellen Größen Zerlegung einer Kraft in Komponenten - Definition der Winkelfunktionen sin α, cos α (evtl. tan α) Elektrische Ladung - Kraftwirkung zwischen elektrischen Ladungen - Ladungserhaltung Seite 1 von 6

2 - Influenz - Nachweis und Messung von elektrischen Ladungen Das elektrische Feld - Definition als Raum zwischen el. geladenen Objekten, in dem auf elektrische Ladungen Kraftwirkungen ausgeübt werden - Nachweis von elektrischen Feldern (über Kraftwirkungen und Influenz) elektrische Feldlinien - Struktur von elektrischen Feldern / Darstellung el. Felder: homogen, radial, bipolar - die elektrische Feldstärke (als vektorielle Größe, Anbindung an den Ortsfaktor g der Gravitationswirkung ) - die elektrische Feldstärke anhand der der Feldkraft auf eine Probeladung im homogenen Feld eines Plattenkondensators - Kondensatoren, elektrische Feldkonstante ε 0 - Die Entstehung von Gewittern, Blitze - Laserdrucker oder Kopierer Die Elementarladung - Millikan Versuch - Kraftwirkung auf kugelsymmetrische Probeladungen im radialsymmetrischen E-Feld - Das Coulombgesetz Arbeit und Energie im homogenen E-Feld - Ionengitter - Zusammenhang zwischen der elektrischen Energie und Spannung anhand a) der Reihenschaltung von Batterien (als Einstieg) und b) durch das Auseinanderziehen von Platten eines geladenen Plattenkondensators - Definition: U = W/q, 1 V = 1J /1C Seite 2 von 6

3 - im homogenen Feld ist W = F s = q E s (da F = const. Wegen E = const. und Richtung(E) Richtung(s)), also U = E s bzw. mit (s = d) U = E d Das elektrische Potential - Anbindung an potentielle Energie, Definition des Nullniveaus - Äquipotentiallinien - Wegunabhängigkeit der Potentialdifferenz - Erdung und Masse, Blitzableiter Kondensatoren als Speicher elektrischer Ladung - Kapazität eines Kondensators - Laden und Entladen eines Kondensators - E el = 1/2 C U 2 Bewegung von Elektronen - senkrecht zur E-Feldrichtung durch ein homogenes E-Feld (Ablenkröhre), Anbindung: Wurfbewegung (Überlagerungen von Bewegungen, Unabhängigkeitsprinzip) - Beschleunigung von geladenen Teilchen im homogenen E-Feld, Berechnung der Geschwindigkeit aus dem Energieerhaltungsansatz - Elektronische Schaltungen mit Kondensatoren, z. B. Zeitglieder oder Siebketten - Fotoblitz, Defibrillator - Teilchenbeschleuniger - Oszilloskop oder Braunsche Röhre Seite 3 von 6

4 2. Das Magnetfeld - Elektromagnetismus - Induktion Anbindung SEK 1: - Magnetfeld von Permanentmagneten - Kraftwirkung zwischen Magnetpolen, ferromagnetische Stoffe als Probekörper für Magnetfelder (Elementarmagnete) - Feldrichtung von Magnetfeldern - Oerstedt-Versuch - Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters ( Linke-Faust-Regel ) - Magnetfeld einer Spule - Elektromagnete Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld - die Stromwaage - der Hall-Effekt Die magnetische Flussdichte B - Messung von B mit der Stromwaage - Messung von B über die Hallspannung der Hallsonde - Kraftwirkung auf bewegte elektrische Ladungen im Magnetfeld - die Lorentzkraft (nur für Richtung(v) Richtung(B) ) - Hallsonde zur Messung von Magnetfeldern Spulen - Magnetfeld einer langen, schlanken Spule, magnetische Feldkonstante µ 0, Helmholtz-Spulen, Spulen mit Eisenkern, Permeabilitätszahl µ r - Messung des Erdmagnetfelds Seite 4 von 6

5 Bewegung von Probeladungen in elektrischen und magnetischen Feldern - das Fadenstrahlrohr ( Bestimmung von e/m e und mit e der Elektronenmasse m e ) - die Braun sche Röhre - das Zyklotron - das Magnetfeldmassenspektometer - der Wien-Filter ( als Beispiel für gekreuzte E- und B-Felder ) - Teilchenbeschleuniger: Linearbeschleuniger, Ringbeschleuniger - Elektronenmikroskop Polarlichter Elektromagnetische Induktion - Induktion durch Bewegung einer Leiterschleife im Magnetfeld - Induktion durch Flächenänderung - Induktion durch Flussdichteänderung - der magnetische Fluss Φ - das Induktionsgesetz (Anwendung der Produktregel der Differentialrechnung) - die Lenz sche Regel - das Vorzeichen im Induktionsgesetz - Selbstinduktion in Spulen - Induktivität - Ein- und Ausschalten von Gleichströmen durch Spulen - Generator, Kraftwerk - Lautsprecher - Zündkerze, Leuchtstoffröhrenstarter Energie des Magnetfelds Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld - Wechselspannung, Scheitelspannung Ergänzungsthemen: Seite 5 von 6

6 - Effektivwerte beim Wechselstrom - Kondensator und Spule im Wechselstromkreis - Phasenbeziehung zwischen Spannung und Strom - induktiver und kapazitiver Widerstand - Reihen- und Parallelschaltung von ohm schen Widerstand, Spule und Kondensator im Wechselstromkreis (Siebkette, Sperrkreis) - der unbelastete Transformator - Frequenzweiche - Wechselstromnetz, Energieverteilung 3. Elektromagnetische und mechanische harmonische Schwingungen Der elektromagnetische Schwingkreis - Wdh. Mechanische Schwingungen - Thomson-Formel f =1/2π 1/ LC - ungedämpfte Schwingung, Meißner-Rückkopplungsschaltung - Aufstellen der Differentialgleichung des ungedämpften, idealen elektromagnetischen Schwingkreises - gedämpfte elektr. Schwingung - Resonanz, Resonanzkatastrophe Seite 6 von 6

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