Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik

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1 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 1 / 2 Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik Einzuführende Methoden in Klasse 7 und 8: In Gruppen nach vorgegebenen Arbeitsaufträgen experimentieren; Experiment protokollieren; Eigenständig Erarbeitetes kurz präsentieren; Daten systematisch sammeln, ordnen, in Diagrammen darstellen und diese interpretieren; Formelsammlung und Tabellenwerk verwenden; Physik Klasse 7 (2-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Bemerkungen/Methoden < ges 58> Aufbau und Eigenschaften von Körpern Temperatur und ihre Messung; thermisches Ausdehnungsverhalten Naturphänomene <6> von Körpern; Teilchenmodell; Wiederholung Akustik <12> Einfache Schallerscheinungen; Schwingungsversuche Töne; Frequenz und Amplitude; Ausbreitung des Schalls Reflexion des Schalls, Echo Pendelversuche mit Teilchenmodell Schallgeschwindigkeit Optik Lichtquellen; Lichtausbreitung und Lichtstrahl; Helligkeit und Schatten; Reflexion des Lichts mit Streuung Brechung des Lichts; Prisma; Abbildungen Lochkamera; Abbildungsgesetz; Konvexlinse, Konkavlinse; Linsengesetz; Optische Geräte: Fernrohre; Diaprojektor Brillen Sehen und Farben; spektrale Zerlegung des Lichts; nichtsichtbare Spektralbereiche; Energie mechanische Energieformen und innere Energie Energieumwandlung Energieerhaltung Reibung; Reibungskraft; Energieversorgung <22> eventuell Mond und Planetenphasen und Finsternisse Analogie zum Schall Einheit bietet sich an, größtenteils im Praktikum erarbeitet zu werden Augenfehler und ihre Korrektur Teilchenmodell auf mechanischem Weg Arbeit verrichten <18> auch regenerative Energieversorgung

2 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 2 / 2 Physik Klasse 8 (2-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Bemerkungen < ges 58> Magnetismus <38> Magnete und ihre Wirkungen; Magnetische Influenz; Modell der Elementarmagnete; Magnetfeld; Erdmagnetfeld Naturphänomene Elektrizitätslehre Elektrische Stromkreise Leiter und Isolatoren Wirkungen des Stroms Gefahren des Stroms Elektrische Ladungen und ihre Eigenschaften; elektrische Influenz; elektrisches Feld; Blitz; Strom als bewegte elektrische Ladung; Ladungserhaltung Stromstärke; Elektrisches Potenzial und Spannung Elektrische Energie Elektrische Leistung Energieversorgung Elektrischer Widerstand Mechanik Geschwindigkeit bei gleichförmiger Bewegung; Kräfte und deren Messung; Kräftegleichgewicht; Trägheit; Gewichtskraft; Masse; Ortsfaktor; Dichte; Druck; qualitativ: Impuls; Wiederholung Atommodell: Kern und Hülle Kräfte zwischen Ladungen, Neutralisation Analogie zur magnetischen Influenz Analogie zum magnetischen Feld Naturphänomene Reihen und Parallelschaltung Fahrbahnversuche Hooksches Gesetz <20 Körper sind träge und schwer Masse Masse- und Volumenbestimmung (u.a. mit Überlaufmethode)

3 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 1 / 2 Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik Einzuführende Methoden in Klasse 9 und 10: In Gruppen nach vorgegebenen Arbeitsaufträgen experimentieren; Experiment protokollieren; Eigenständig Erarbeitetes kurz präsentieren; Daten systematisch sammeln, ordnen, in Diagrammen darstellen und diese interpretieren; Formelsammlung und Tabellenwerk verwenden; Physik Klasse 9 (2-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Bemerkungen/Methoden < ges 58> Elektrizitätslehre <8> Leiter im Magnetfeld; der Elektromotor; der Wirkungsgrad eines Elektromotors Elektromotormodell Elektromagnetische Induktion Induktion in der Spule und im Leiter; Lorentzkraft und Drei-Finger-Regel der linken Hand; Erzeugung von Wechselspannung; der Generator; der Transformator; Übertragung und Verteilung elektrischer Energie; Elektronik Halbleiterbauelemente die Diode, Eigenleitung, Dotierung, Gleichrichter; der Transistor, als Schalter und Verstärker; Informationstechnologie; Wärmelehre Temperatur und Teilchenbewegung; innere Energie; Energiezufuhr und - Temperaturänderung, spezifische Wärmekapazität; - Zustandsänderung, spezifische Schmelz- und Verdampfungsenergie; Energietransport; Wärme-Kraft-Maschinen; Entropie, das Peltiermodul, reversible und irreversible Vorgänge; der unbelastete Transformator Kennlinie <9> <13> Oszilloskoppraktikum Feldeffekttransistoren Kennlinie Darlington- / Flip-Flop- Schaltung <28> Wiederholung Verdunsten

4 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 2 / 2 Physik Klasse 10 (2-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Bemerkungen < ges 58> Bewegungen <24> gleichförmige Bewegung; beschleunigte Bewegung die Beschleunigung; Gesetze der gleichmäßig beschl. Bewegung; Fallbewegungen; Energieerhaltung; Lage-, Bewegungs- und Spannenergie (quantitativ); Energiebilanzen; Grundgesetz der Mechanik; Impulserhaltung Wechselwirkungsgesetz; Impuls- und Energieerhaltung gleichzeitig; Kreisbewegungen Bahngeschwindigkeit; Zentripetalkraft (qualitativ); Drehimpuls (qualitativ) und Drehimpulserhaltung; NWT Bewegungsarten Reibung; Isaac Newton Struktur der Materie Rutherford sches Atommodell; Kernaufbau; Radioaktivität Nachweis; Zählrate, Nulleffekt; α-, β- und γ-strahlung; Zerfallskurve und Halbwertszeit; Strahlenwirkung, Strahlenschutz; Kernspaltung; Kernkraftwerke (Druckwasserreaktor); Chemie Marie Curie C14-Methode Otto Hahn, Liese Meitner historische Entwicklung <16> Energie und Umwelt Energiequellen; Energienutzung; Kraftwerkstypen im Vergleich; Treibhauseffekt; Energieentwertung, NWT <8> Felder (qualitativ) Magnetisches und elektrisches Feld; Gravitationsfeld; <5> Weltbilder <5> oder Gruppenarbeit; NWT

5 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 1 / 8 Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik Physik Kursstufe (4-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Bemerkungen/Methoden < ges > Grundkompetenzen aus der <5-8> Sekundarstufe I (Wiederholung) Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung; Messung: Temperatur Zeit, Masse, Massendichte, Druck Energie, Energieerhaltung elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung, Ladungserhaltung Diese Inhalte können zum Einstieg in die Kursstufe als Wiederholung in Teamarbeit, und teilweise im Schülerpraktikum als Möglichkeiten für projektorientiertes Arbeiten durchgeführt werden. ( z.b. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen und el. Energiequellen im Alltag) Im Weiteren erfolgt eine Vertiefung bzw. Vernetzung mit neuen Inhalten der Kursstufe Kennlinien von Geräten Kraft, Geschwindigkeit, Impuls, Impulserhaltung, Beschleunigung Vertiefung: Innenwiderstand von Geräten Arbeitspunkt Entropie, Entropieerzeugung qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls, Drehimpulserhaltung Struktur: Strom, Antrieb(Ursache), Widerstand Gravitationsfeld, elektrisches Feld, magnetisches Feld mechanische, elektrische und thermische Energiespeicher und Energietransporte Erde: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten, regenerative Energieversorgung (z.b.: Solarzelle, Brennstoffzelle)

6 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 2 / 8 Physik Kursstufe (4-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Grundlagen der Elektrodynamik Maxwell Bemerkungen <50-68 > Wiederholung: Wahrnehmung: Schwere; Messung: Schwerkraft Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke bzw. Flussdichte Elektrische Feldstärke Graviationsfeldstärke Analogiebetrachtungen zwischen elektrischen und Gravitationsfeld Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien) Potential und Spannung im elektrischen Feld Quantitativer Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke im homogenen elektrischen Feld Kondensator, Kapazität Kapazität des Plattenkondensators Elektrische Feldkonstante Materie im elektrischen Feld, ε r Elektrisches- und Gravitationsfeld als Energiespeicher (quantitativ für Plattenkondensator, Gravitationsfeld im homogenen Bereich) Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Längsfeld Wiederholung des Feldes als Modellvorstellung: Gravitationsfeld, elektrisches Feld, magnetisches Feld unter Analogieaspekten: Wirkung Visualisierung durch Feldlinien Ursache Die Wiederholung der Grundlagen aus der Mittelstufe kann selbstständig, z.b. in Form von Planarbeit oder Teamarbeit erfolgen Der in den Vorjahren eher qualitativ erarbeite Feldbegriff soll jetzt quantitativ betrachtet werden. Mit einem entsprechenden Computerprogramm (z.b. FeldLab) sollen die Schülerinnen und Schüler die Struktur elektrischer Felder graphisch veranschaulichen (Farbverlauf, Feldlinien, Äquipotenzialflächen). Bei Auf- und Entladevorgängen von Kondensatoren soll ein Messwerterfassungssystem (im Schülerpraktikum) zum Einsatz kommen. Möglichkeiten für Präsentationen oder Gruppenpuzzle: Elektrisches Feld der Erde Laserdrucker Blitzableiter Staubfilter bei Kohlekraftwerk Quantisierung elektrischer Ladung Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke bzw. Flussdichte Magnetische Feldkonstante Magnetische Flussdichte Materie im Magnetfeld, µ r Lorentzkraft, Betrag und Richtung Eine Formulierung der Lorentzkraft mithilfe des Vektorprodukts wird nicht erwartet. Magnetisches Feld als Energiespeicher

7 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 3 / 8 (quantitativ für Spule) Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien) Analogiebetrachtungen zwischen elektrischem, magnetischem und Gravitationsfeld Bewegung geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld (qualitativ) Kräftegleichgewicht zwischen elektrischer und magnetischer Kraft Kreisbahn im Magnetfeld quantitativ e/m Bestimmung Halleffekt Magnetische Flasche Erdatmosphäre Magnetischer Fluss Induktion, Induktionsgesetz Magnetisches Feld und magnetische Flussdichte einer langgestreckten Spule Induktivität Induktivität der langgestreckten Spule Wiederholung: Alltagsgeräte, Elektromotor, Generator Am Beispiel der langgestreckten Spule kann die Energie im magnetischen Feld quantitativ behandelt werden. Möglichkeit zum Einsatz eines Messwerterfassungssystems (Einschaltvorgang) Technische Anwendung: Energieversorgung Möglichkeit für eine Exkursion Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen, Generatorprinzip Phänomen des Energietransports durch elektromagnetische Felder Grundlegendes Prinzip eines Transformators Grundlagen der Maxwelltheorie, in der die Elektrodynamik auf 4 Aussagen zurückgeführt wird: Positive Ladung als Quelle und negative Ladung als Senke des E-Feldes Alltagsgeräte: Induktionsherd, Wirbelstrombremse, el. Weidezaun (Einsatz eines Simulationsprogramms möglich, z.b. Yenka) GFS Quellenfreiheit des magnetisches B- Feldes Ein sich veränderndes B-Feld erzeug ein E-Feld (Induktion) Ein elektrischer Strom bzw. ein sich veränderndes E-Feld erzeugt ein B-Feld

8 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 4 / 8 Physik Kursstufe (4-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Schwingungen und Wellen Wiederholung: Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören; Messung: Amplitude, Frequenz Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen Bemerkungen <50-72> Beispiele für mechanische und elektromagnetische Schwingungen Frequenz Periodendauer Amplitude Analogie der Größen und Bauteile bei mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen Energiebilanzen in schwingenden Systemen An die Erarbeitung der Gemeinsamkeiten von Schwingungen ist gedacht. Durch Entladung von Kondensatoren über Spulen kann zum Phänomen der elektromagnetischen Schwingung übergeleitet werden. Hier bietet sich die Möglichkeit eines Schülerpraktikums mit Hilfe eines Messwerterfassungssystems an. Analogie zwischen mechanischen und elektromagnetischen Schwingungssystemen Wiederholung Erhaltungssätze Herleitung der entsprechenden Differenzialgleichungen und Lösungen harmonischer Schwingungen. Dämpfung: Energie- und Entropiebilanz Mechanische Welle als Phänomen Eigenschaften von Wellen Wellenlänge und Frequenz Ungedämpfte elektromagnetische Schwingungen Ausbreitungsgeschwindigkeit Lineare harmonische Querwelle Lösungen der Wellengleichung: Auslenkung s(x, t) des Wellenträgers, Beispiele entweder in Abhängigkeit des Ortes oder der Zeit Eigenschwingungen in Natur und Technik: z.b.: Musikinstrumente Elektromagnetische Welle als Phänomen Licht als elektromagnetische Welle Analogie mechanischer und elektromechanischer Wellen, insbesondere Vergleich von Schall und Licht Reflexion (auch Totalreflexion) Modellvorstellungen von Licht, auch im historischen Kontext Streuung (qualitativ)

9 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 5 / 8 Brechung (qualitativ) Beugung Polarisation (qualitativ) Einzelspalt, Doppelspalt, Mehrfachspalt, Gitter Wahrnehmung von Helligkeit, Messung von Intensitätsverteilungen Bei der Beschreibung von Interferenzerscheinungen kann die Zeigerdarstellung verwendet werden. Experimentelle Aufnahme einer Intensitätsverteilung Überlagerung von Wellen (Interferenz, stehende Welle, Eigenschwingung) Ausbreitungsgeschwindigkeit mechanischer und elektromagnetischer Wellen Keine Besonderheiten der Longitudinalwelle nötig. Möglichkeiten zum Einsatz eines Messwerterfassungssystems Musikinstrumente: Über das Sender-Empfänger-Modell hinaus ist hier daran gedacht, auch Schall als Wellenphänomen (z.b. stehende Welle) zu betrachten. Überblick über das elektromagnetische Spektrum Spektren verschiedener Strahler und Spektrallampen (Zusammenhang und Unterschied zwischen Frequenz und Farbe) Abhängigkeit des Auflösungsvermögens von der Wellenlänge und Konsequenzen für die Technik Wiederholung: natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Strahlungshaushalt der Erde Alltagsbezug elektromagnetische Strahlung, Chancen und Risiken technischer Entwicklungen 2 Beispiele aus folgenden: WLAN, Mobiltelefon, Hochspannungsleitung, Mikrowellenofen, schnurlose Telefone, Trafos in Räumen Wiederholung: Diode als richtungsabhängiger Widerstand, Transistor als steuerbarer Widerstand Informationstechnologie und elektronische Schaltungen Projekt zur Klimaproblematik Kritische Textanalyse Elektrosmog Die technischen Inhalte lassen sich im Rahmen einer GFS darstellen. Grenzwerte für elektromagnetische Strahlung Detektorradio Schülerpraktikum: einfache MW-Radioempfänger Modulationsarten

10 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 6 / 8 Physik Kursstufe (4-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Quantenphysik Photoeffekt Bemerkungen Praktikum: z.b.: h-bestimmung <20-38> Planck sches Wirkungsquantum Quantenobjekte: Zusammenhang Energie-Frequenz Zusammenhang Impuls-Wellenlänge Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten) Komplementarität (Ort-Impuls-Unbestimmtheit und Welcher-Weg-Information) Stochastisches Verhalten Verhalten beim Messprozess (Präparation von Quantenobjekten, Determiniertheit der Wellenfunktion, Kollaps der Wellenfunktion) Nichtlokalität, insb. Verschränktheit Erkenntnistheoretische Aspekte formulieren Geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern Struktur der Materie Wiederholung: Teilchenmodell, zeitgemäßes Atommodell Linearer Potenzialtopf Atomhülle und Energiequantisierung Linienspektren Grundlegende Gedanken der Schrödingergleichung und ihre Bedeutung für die Atomphysik Atomkern Wiederholung: Kernspaltung, Radioaktivität. Schulexperimente sind nur mit vielen Photonen oder vielen Elektronen möglich. Experimente mit einzelnen Quantenobjekten wie sie in der aktuellen Forschung durchgeführt werden lassen sich mithilfe von geeigneter Software oder Gedankenexperimenten darstellen (z.b. Doppelspaltexperiment, Interferometer). Zur Beschreibung der Phänomene sollte keine Modellvorstellung eingesetzt werden, in der das Nebeneinander von Wellen- und Teilchenmodell dargestellt wird. So kann z.b. die didaktische Reduktion der QED von Richard Feynman der Ausgangspunkt für diesen Unterrichtsgang sein. Hier kann das Zeigerkonzept erneut zum Einsatz kommen. Ein Quantenradierer-Experiment kann mit einfachen Mitteln in der Schule durchgeführt werden. Übergang vom Quantenobjekt zum klassischen Objekt, Dekohärenz z.b. Experimente mit verschränkten Photonen Hier sollen Probleme der Kausalität besprochen werden. Es bietet sich an, hier auf philosophische Diskussionen einzugehen. Zum Beispiel: Sonnensystem, Universum, Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie, deterministisches Chaos Modellvorstellungen von Licht, auch im historischen Kontext <10 24> Hierbei ist nicht an eine mathematische Behandlung der Schrödingergleichung, sondern an die Erarbeitung mit Hilfe geeigneter Simulationssoftware in Teamarbeit gedacht. Das Thema Linienspektren soll in Klasse 10 bei zeitgemäßen Atommodellen inhaltlich vorbereitet werden. Beispiele für Potenziale: Eindimensionaler unendlich hoher Potenzialtopf. Hier ist die Analogie zwischen stehenden Wellen und Wellenfunktionen hilfreich.

11 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 7 / 8 Aspekte der Elementarteilchenphysik im Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks Untersuchungsmethoden (Spektren, hochenergetische Strahlen, Detektoren) Eindimensionaler endlich hoher Potenzialtopf Coulomb-Potenzial, Quantenzahlen und Orbitale beim Wasserstoffatom Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen

12 ASG Laichingen, Fachschaft Physik 8 / 8