Physik Kursstufe (4-stündig)

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1 Kern- und PHYSIK Physik Kursstufe (4-stündig) VORBEMERKUNG Der 4-stündige Physikkurs ist auf eine systematische Beschäftigung mit den wesentlichen n und Grundprinzipien gerichtet und macht damit die Breite, die Komplexität und den Aspektreichtum des Faches und seiner Bezüge zu Natur und Technik deutlich. Er zielt auf eine vertiefte Beherrschung der Fachmethoden und ihrer Anwendung sowie der theoretischen Reflexion ab. Den 4-stündigen Physikkurs zeichnet ein hoher Grad an Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler vor allem beim Experimentieren, in einzelnen Fällen aber auch bei der Wissensgenerierung aus. Kerncurriculum PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Unter bestimmten Aspekten Physik als theoriegeleitete Erfahrungswissenschaft Elektrische, mechanische und thermische Größen; Magnetismus, Magnetfeld eines stromdurchflossenen Leiters; Strom-Antrieb- Konzept (mind. einen Vergleich analoger elektrischer, mechanischer und thermischer Systeme); Erhaltungssätze (Impuls, Energie, Ladung, Drehimpuls (qualitativ)); Entropieerzeugung; Mechanische, elektrische und thermische Energiespeicher und Energietransporte; Kennlinien von Geräten; Informationstechnologie und elektronische Schaltungen

2 GRAVITATIONSFELD Unter bestimmten Aspekten Methodenrepertoire der Physik Physik als historisch-dynamischer Prozess Modellvorstellungen und Weltbilder Gravitationsfeldstärke; Gravitationsfeld; Gravitationsfeld als Energiespeicher (quantitativ im homogenen Bereich) Kepler sche Gesetze Gravitationsgesetz Gravitationspotential; Äquipotentialflächen NWT: Astronomie ELEKTRISCHES FELD Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke; Elektrische Feldstärke; Analogiebetrachtung zwischen elektrischem und Gravitationsfeld; Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien); Elektrische Feldkonstante ε 0 ; Potenzial und Spannung im elektrischen Feld; Quantitativer Zusammenhang von Spannung und elektrischer Feldstärke im homogenen elektrischen Feld; Kondensator und Kapazität; Kapazität des Plattenkondensators; Materie im elektrischen Feld ε r ; Elektrisches Feld als Energiespeicher (quantitativ für Plattenkondensator); Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Längsfeld; Quantisierung der elektrischen Ladung (Millikan Versuch) Irdische elektrische Felder (Blitze) Glühelektrischer Effekt Ablenkung geladener Teilchen im elektrischen Querfeld NWT: Medizintechnik (EKG und EEG)

3 MAGNETISCHES FELD Magnetische Flussdichte; Lorentzkraft, Betrag und Richtung; Kräftegleichgewicht zwischen elektrischer und magnetischer Kraft (Hall-Effekt); Magnetisches Feld und magnetische Flussdichte einer langgestreckten Spule; Magnetische Feldkonstante μ 0 ; Materie im Magnetfeld μ r ; Analogiebetrachtungen zwischen elektrischem, magnetischem und Gravitationsfeld; Bewegung geladener Teilchen im homogenen magnetischen Querfeld Hysteresekurve ferromagnetischer Stoffe e/m-bestimmung Räumliche Bahnen im magnetischen Feld Senkrecht gekreuzte elektrische und magnetische Felder (Wienfilter) ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION Induktion; Magnetischer Fluss; Induktionsgesetz; Induktivität; Induktivität der langgestreckten Spule; Magnetisches Feld als Energiespeicher (quantitativ für Spule); Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen, Generatorprinzip; Grundlegendes Prinzip eines Transformators Dynamo und Generator MATHE: Produktregel der Differentialrechnung

4 MECHANISCHE SCHWINGUNGEN UND WELLEN Physik als theoriegeleitete Erfahrungswissenschaft Wahrnehmung und Messung Beispiele für mechanische Schwingungen; Frequenz; Periodendauer; Amplitude; Herleitung und Lösung der Differenzialgleichung harmonischer Schwingungen; Energiebilanzen in schwingenden Systemen; Entropieerzeugung; Dämpfung: Energie- und Entropiebilanz; Mechanische Welle als Phänomen; Eigenschaften von Wellen; Lineare harmonische Querwelle; Wellenlänge; Ausbreitungsgeschwindigkeit; Lösungen der Wellengleichung: Auslenkung s(x,t) des Wellenträgers, Beispiele entweder in Abhängigkeit des Ortes oder der Zeit; Überlagerung von Wellen (Interferenz, stehende Welle, Eigenschwingung) m s(t) = D s(t) und s(t) = s0 sin( ω t) Longitudinalwellen Funktionaler Zusammenhang zwischen c, λ und f MATHE: Grundlagen der Trigonometrie Differentialgleichungen NWT: Wellenbegriff (Ultraschall)

5 ELEKTROMAGNETISCHE SCHWINGUNGEN UND WELLEN Wahrnehmung und Messung Technische Entwicklung und ihre Folgen Beispiele für elektromagnetische Schwingungen; Analogie der Größen und Bauteile bei mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen; Energiebilanz im elektromagnetischen Schwingkreis; Herleitung und Lösung der Differenzialgleichung harmonischer Schwingungen; Dämpfung: Energie- und Entropiebilanz; Grundlagen der Maxwelltheorie, in der die Elektrodynamik auf 4 Aussagen zurückgeführt wird: 1) Ladungen als Quelle des E-Feldes 2) Quellenfreiheit des magnetischen B-Feldes 3) Ein sich veränderndes B-Feld erzeugt ein E-Feld (Induktion) 4) Ein elektrischer Strom bzw. ein sich veränderndes E-Feld erzeugt ein B-Feld Elektromagnetische Wellen als Phänomen; Energietransports durch elektromagnetische Felder; Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen; Überblick über das elektromagnetische Spektrum; Alltagsbezug elektromagnetischer Strahlung, Chancen und Risiken technischer Entwicklung; 2 Anwendungsbeispiele aus den Bereichen WLAN, Mobiltelefon, Hochspannungsleitung, schnurlose Telefone, Trafos in Wohnräumen 1 I(t) = I(t) und I(t) = I0 sin( ω t) LC Herleitung und Messung der Vakuumlichtgeschwindigkeit Hertz scher Dipol MATHE: Grundlagen der Trigonometrie Differentialgleichungen NWT: Elektromagnetisches Spektrum

6 WELLENOPTIK Wahrnehmung und Messung Licht als elektromagnetische Welle; Analogie mechanischer und elektromagnetischer Wellen, insbesondere Vergleich von Schall und Licht; Reflexion; Streuung, Brechung und Polarisation (qualitativ); Beugung; Interferenz am Einzelspalt, Doppelspalt, Mehrfachspalt und Gitter; Wahrnehmung von Helligkeit, Messung von Intensitätsverteilungen; Spektren verschiedener Strahler und Spektrallampen (Zusammenhang und Unterschied zwischen Frequenz und Farbe); Strahlungsbilanz der Erde Huygens sches Prinzip Dispersion Michelson-Interferometer Interferenzphänomene in der Natur (z.b. Interferenz an dünnen Schichten) BIO/CH: Spektroskopie, Polarisation GRUNDLAGEN DER QUANTENPHYSIK Physik als historisch-dynamischer Prozess Modellvorstellungen und Weltbilder Photoeffekt; Planck sches Wirkungsquantum; Zusammenhang Energie Frequenz; Zusammenhang Impuls Wellenlänge (de Broglie); Stochastisches Verhalten; Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten); Komplementarität (Ort- Impuls-Unbestimmtheit und Welcher-Weg-Information); Verhalten bei Messprozessen (Präparation von Quantenobjekten, Determiniertheit der Wellenfunktion, Kollaps der Wellenfunktion); Nichtlokalität, insbesondere Verschränktheit; Erkenntnistheoretische Aspekte formulieren Elektronenbeugung am Graphit-Kristall Doppelspaltversuch von Jönsson Schrödingers Katze Geschichtliche Bezüge (Einstein, Planck, ) MATHE: stochastische Verteilungsfunktionen

7 GRUNDLAGEN DER ATOMPHYSIK Physik als historisch-dynamischer Prozess Struktur der Materie Modellvorstellungen und Weltbilder Geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern (am Beispiel der Quantentheorie und der Atommodelle); Atomhülle und Energiequantisierung; Linienspektren; Linearer Potentialtopf; Grundlegende Gedanken der Schrödingergleichung und ihrer Bedeutung für die Atomphysik; Atomkerne; Überblick über Aspekte der Elementarteilchenphysik: Leptonen, Hadronen, Quarks Untersuchungsmethoden (Spektren, hochenergetische Strahlen, Detektoren) Quantenzahlen und Orbitale beim Wasserstoffatom Laser Kernumwandlungen, Kernkraftwerk Teilchenbeschleuniger CERN oder DESY CHEMIE: Atommodelle RELIGION: Glaube und Naturwissenschaft