Schuleigener Schwerpunkt: Teilchenbeschleuniger mit Exkursionen zu PSI in der Schweiz und LHC in Genf

Transkript

1 Curriculum Physik Gymnasium Ettenheim Oberstufe 4-stündig Schuleigener Schwerpunkt: Teilchenbeschleuniger mit Exkursionen zu PSI in der Schweiz und LHC in Genf Seite 1 Gravitation und Gravitationsgesetz F G = γ m 1 m 2 r 2 Gravitationsfeld und stärke g über Gravitationskraft auf Probemasse g = G m Elektrisches Gravitations- stärke Homogenes Plattenkondensator radiales und homogenes, Visualisierung über linien und vektoren Wdh. elektrische Ladung, Strom als bewegte Ladung, Elektronen und Protonen im Atommodell Coulombgesetz F El = k q 1 q 2 r 2 radiales einer Punktladung Elektrische stärke als Kraft auf Probekörper E = F q Elektrische stärke E und Gravitationsfeldstärke g Homogenes des Plattenkondensators als Superposition Gravitationskonstante γ und konstante ε 0 Elektrisches Potenzial allgemein, Spannung als Potenzialdifferenz stärke über Kraft auf gel. Probekörper an Faden: Vektoraddition der Kräfte, Kleinwinkelnäherung Spannung und elektrische Arbeit im Kondensatorfeld E = U d Ladung und Spannung: Kapazität C = Q U = ε 0 Gespeicherte Energie E = 1 2QU = 1 2CU 2 A d ; Dielektrikum im, Polarisation: ε r elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung); elektrische stärke, Kapazität (qualitativ); Gravitationsfeld, Gravitationslinsen; elektromagnetisches (elektrisches und magnetisches ); Energiespeicher und Energietransport auch in ern Bewegung geladener Teilchen im E- Elektrisches Querfeld, Ablenkung in der Braunschen Röhre quantitativ Elektronenkanone, Beschleunigung im Längsfeld eu = 1 2m e v 2 Braunsche Röhre Aufbau und Prinzip Das Oszilloskop, Prinzip und Bedienung (Praktikum) Elementarladung Der Millikan-Versuch und e-bestimmung

2 Seite 2 Magnetisches Magnetismus Magnetische Flussdichte Homogenes Spule Wdh. aus Mittelstufe: Permanent-Magnete, Elektromagnetismus, Magnetfeld Magnetische Flussdichte B als Kraft auf Probekörper B = F I s Lorentzkraft, Betrag und Richtung F L = Bev e, Dreifinger-Regel Halleffekt und Hallsonde Homogenes einer langgestreckten Spule; Magn. konstante und Materie im B = µ 0 µ r n Ι Helmholtz-Spulen, Messung mit Tesla-Meter magnetische Flussdichte, Induktivität; qualitativ: Zentripetalkraft elektrisches und magnetisches, Materie, Induktion, Naturkonstanten; Energiespeicher und Energietransport auch in ern Bewegung geladener Teilchen im E- Kombinierte er Kreisbahn quantitativ, F L = F Z Bestimmung von e/m mit Fadenstrahlröhre e m = 2 U B 2 r Elektronenmasse 2 Schraubenbahn; magnetische Flasche Massenspektrograph mit Wien-Filter Teilchenbeschleuniger, Zyklotron, Ringbeschleuniger Exkursion zu PSI Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (zum Beispiel Generator); medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte; Erdmagnetfeld 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen LHC Überblick: Anlage, Detektoren Das Standard-Modell LHC Die Welt-Maschine (in Referaten) Die Entdeckung des Higgs-Teilchens!? Big-Bang-Theorie, kosmische Hintergrund-Strahlung Dunkle Materie und dunkle Energie String-Theorie, höhere Dimensionen ILC-Beschleuniger und XFEL (DESY) Supra-Leitung 11: Struktur der Materie Aspekte der Elementarteilchenphysik Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen Anti-Materie Exkursion zu CERN 13. Modellvorstellung und Weltbilder

3 Seite 3 Induktion Induktionsgesetz Wechselspannung Magnetischer Fluss Φ = B A Induktionsgesetz U Ind = n Φ ʹ = n(b A ʹ + B ʹ A ), U Ind = B v als Spezialfall; Lenzsche Regel; Induktivität einer Spule; Selbstinduktion; Induktivität und Magnetfeld + Energie im Magnetfeld einer Spule ohne Herleitung; Wirbelströme phänomenal Generator U Ind = n B A ʹ = n ω A cos(ωt) experimentell an Drehrahmen in Helmholtzspulen Transformator, unbelastet, qualitativ U 1 /U 2 = n 1 / n 2 magnetische Flussdichte, Induktivität elektrisches und magnetisches, Materie, Induktion Maxwell-Gleichungen qualitativ: 1) Ladungen als Quellen des el. es, 2) Magnetfeld quellenfrei, 3) Zeitliche Änderungen des B-es mit E- verknüpft und 4) vice versa Mechanische Schwingungen Elektromagnetische Schwingung Frequenz, Amplitude, Periodendauer: s(t) = a sin(ωt) mit ω = 2π / T Herleitung harmonische Schwingung T = 2π l/ g Fadenpendel und T = 2π m /D Federpendel Analogie der und Bauteile; Herleitung aus DGL ω = 1/ Energiebilanzen; 1 2Ds 2 1 2C 1 Q 2 und 1 2mv 2 1 2LI 2 LC bzw. T = 2π LC Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit Schwingungen und Wellen Resonanz Mechanische laufende Welle Interferenz lineare stehende Wellen Elektromagnetische Wellen qualitativ; Dämpfung und Resonanzkatastrophe Lineare transversale Welle: c = λ / T = λ f ; Longitudinale Wellen: Schallwellen; Superposition Interferenz und stehende Welle; Gangunterschied δ, Schnelle Eigenschwingungen auf begrenztem Träger, Kundtsches Rohr; Musikinstrumente Elektromagnetische Welle als Phänomen; Hertztscher Dipol elektromagn. Spektrum: Techn. Anwendungen, Radio, Mobilfunk, WLAN, Mikrowelle, Röntgen... Ausbreitungsgeschwindigkeit c = 1/ ε 0 µ 0 s. Maxwell-Gleichungen harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung, Differenzialgleichung; mechanische und elektromagnetische Welle (unter Einbezug von Licht); harmonische Welle, einfache mathematische Beschreibung, Überlagerungen von Wellen (stehende Welle, Interferenz), Reflexion, Streuung, Brechung, Beugung, Polarisation Interferenz - Kreiswellen Interferenzmuster; Beugung; Nahfeld (Hyperbeln) und Fernfeld in Näherung Wasserwellen; Ultraschall Licht als elektromagn. Welle Doppelspalt; Gitter sin( α k ) = kλ / g ; Einzelspalt; Intensitätsverteilungen Spektren verschiedener Strahler, Frequenz und Farbe Reflexion, Brechung, Polarisation qualitativ

4 Seite 4 Fotoeffekt Fotoeffekt und Interpretation über Lichtquanten mit W = hf ; Umkehrung Leuchtdiode; h-bestimmung über h = ΔW / Δf Compton-Effekt qualitativ Quantenphysik und Struktur der Materie Photon als Quantenobjekt Elektron als Quantenobjekt Aspekte der Quantentheorie Atom-Modelle H-Atom Energie-Quantisierung Atomhülle Doppelspalt-Interpretation: stochastisches Verhalten, Interferenz durch Superposition, Welle-Teilchen- Dualismus Elektronenbeugung und de Broglie-Wellenlänge λ B = h / p; Bragg-Bedingung sinϕ = k λ /(2d) Interferenzfähigkeit - Superposition und stochastisches Verhalten allgemein Komplementarität: Ort-Impuls-Unbestimmtheit und Welcher-Weg-Information Determiniertheit und Kollaps der Wellenfunktion - Schrödingers Katze und Dekohärenz Nichtlokalität, insbesondere Verschränktheit Heißenbergsche Unbestimmtheitsrelation Von Bohrschen Kreisen zu Orbitalen Qualitativ: Schrödinger-Gleichung Linearer Potenzialtopf und Energiequantisierung; Quantenzahlen insbesondere fürs H-Atom Linienspektren: Balmer-Serie und Na-Linien Franck-Hertz-Versuch; Resonanz-Floureszenz Orbital-Modell und Periodensystem; Spin 11: Struktur der Materie Atomhülle; Energie-Quantisierung, grundlegende Gedanken der Schrödingergleichung und ihre Bedeutung für die Atomphysik; Atomkern; Untersuchungsmethoden (Spektren, hochenergetische Strahlen, Detektoren) 13. Modellvorstellung und Weltbilder geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern; Quantenphysik: Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten), stochastisches Verhalten, Verhalten beim Messprozess, Komplementarität, Nichtlokalität Kernphysik Struktur des Atomkerns bis zu Quarks und Gluonen wird bei LHC ausführlich behandelt Entropie Thermodynamische Grundlagen, Entropie ΔS = Q T Entropie(erzeugung) Thermodynamik Treibhauseffekt Regenerative Energie Natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Brennstoffzelle und Solarzelle Autos der Zukunft 10./12. Technische Entwicklungen und ihre Anwendungen/Folgen Treibhauseffekt; regenerative Energieversorgung

5 Curriculum Physik Gymnasium Ettenheim Oberstufe 2-stündig Seite 1 Elektrische Grundbegriffe, Elektrisches Elektrische Grundgrößen und Verhalten in Schaltungen Elektrostatik Potential Spannung, Stromstärke, Widerstand, Reihen-, Parallelschaltung von Widerständen, Schaltungsberechnungen Ladung, geladen, ungeladen, positive/negative Ladung, Elektron, Influenz, begriff, linien, homogenes/inhomogenes, Ladungstransport, Def. Elektrische stärke, ε 0, ggf. Elementarladungsbestimmung durch Millikan (Schülerreferat), ggf. Coulombkräfte (Schülerreferat) Elektrisches Potential vs. Gravitationspotential, Äquipotentiallinien, Erdung Nullpotential, Spannung, Potentiale in Schaltungen und im E- (Praktikum), ggf. Elektrische Potentiale beim Menschen (Schülerreferat) elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung); elektrische stärke, Kapazität (qualitativ); Gravitationsfeld, Gravitationslinsen; elektromagnetisches (elektrisches und magnetisches ); Energiespeicher und Energietransport auch in ern Magnetisches Kondensator Geladene Teilchen im E- Wiederholung Magnetisches Lorentzkraft Def. Kapazität, E = U, Auf- und Entladevorgang, Praktikum: Kapazitätsbestimmung über Entladekurve, d Dielektrikum (ggf. ergänzt durch Schülerreferat) Braun sche Röhre, Elektronengeschwindigkeit nach Beschleunigung im E, Ablenkung im E- nur qualitativ Permanentmagnetismus, Eisenspänebilder, Nord-Südpol-Wirkungen, Magnetisierung, Erdmagnetfeld, Kompass Problem der Festlegung der magnetischen stärke, magnetische linien, homogenes/inhomogenes Magnetfeld, linienbilder bei Stabmagnet, Hufeisenmagnet, Spule und Erde, Def. Magn. Flussdichte B, B- einer langen Spule, Messung der Flussdichte des Erdmagnetfeldes (Praktikum) Lorentzkraft auf einen stromdurchflossenen Leiter, Lorentzkraft auf ein einzelnes Elektron, Hall-Effekt, Messung der magn. Flussdichte, magnetische Flussdichte, Induktivität; qualitativ: Zentripetalkraft elektrisches und magnetisches, Materie, Induktion, Naturkonstanten; Energiespeicher und Energietransport auch in ern Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (zum Beispiel Generator); medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte; Erdmagnetfeld Geladene Teilchen im B- Kreisbahn von e - im B-, Fadenstrahlrohr, Bahnradius bzw. m e-bestimmung (ggf. Schülerreferat) 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen

6 Seite 2 Elektromagnetische Induktion Schwingungen Wiederholung Formale Beschreibung Anwendungen Ursachen und Kenngrößen einer Schwingung Experimentelle vs. (unten) Theoretische Physik Differentialgleichungen Elektromagnetische Schwingung Phänomenologisches Praktikum in verschiedenen Stationen Herleitung Induktionsgesetz isoliert für B- bzw. A-Änderung, Selbstinduktion und Induktivität, Lenz sche Regel, Wirbelstrombremse (ggf. Schülerreferat), Induktionskochplatte, Zusammenhang zur Lorentzkraft, Polarlicht ggf. magnetische Flasche/magnetische Linse (Schülerreferat) Begriffe Elongation, Rückstellkraft, Harmonie, frei, erzwungen, gedämpft, Wiederholung Begrifflichkeiten der Kreisbewegung (Bogenmaß, Drehfrequenz, Winkelgeschwindigkeit, ) Bestimmung der Schwingungsdauer eines Fadenpendels im Experiment, Einflussgrößen, selbständige Formelentwicklung (Praktikum), Übungen Elongations-Kraft-Gesetz beim Federpendel, beim Fadenpendel, Festlegung harmonische Schwingung formal, Schwingungsdauer bei Federpendel und Fadenpendel und Vergleich von letzterem mit experimentellem Ergebnis Gleichungsentwicklung für das Federpendel, intuitives Lösungsverfahren, Bauteile Schwingkreis, U(t) und I(t) -Verlauf im Detail, Formeln zum Schwingkreis magnetische Flussdichte, Induktivität elektrisches und magnetisches, Materie, Induktion Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung, Differenzialgleichung; mechanische und elektromagnetische Welle (unter Einbezug von Licht); harmonische Welle, einfache mathematische Beschreibung, Überlagerungen von Wellen (stehende Welle, Interferenz), Reflexion, Streuung, Brechung, Beugung, Polarisation

7 Seite 3 Thema Inhalte Bezug zu den Standards Mechanische Störungen Wellenbegriff Störungen auf dem Wellenträger, Begriffe Wellenberg, Wellental, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Reflexion von Berg und Tal am offenen und losen Ende Periodische Erregung und Übergang zur Welle, Frequenz, Wellenlänge, c = λf, Differenzierung zwischen Wellenlinie und Schwingungsdiagrammen, Dopplereffekt (ggf. Schülerreferat) Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit Eindimensionale Wellen Überlagerung Stehende Wellen Anwendungsbeispiele 2-dimensionales Wellenfeld Eindimensionale Überlagerung von Störungen, Überlagerung von Wellen auf dem unendlichen eindimensionalen Wellenträger, Koordinatenaddition und Zeigeraddition Resonanzen auf dem beschränkten Wellenträger bei festem und losem Ende, stehende Welle, Resonanzbedingungen Versuche mit Ultraschall, Musikinstrumente (ggf. Schülerreferat), Beispiele Wasserwellen, Ultraschallwellen, Huygen sches Wellenmodell (ggf. Schülerreferat), Gangunterschied, Phasendifferenz, Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz im zweidimensionalen Wellenfeld harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung,; mechanische und elektromagnetische Welle (unter Einbezug von Licht); harmonische Welle, einfache mathematische Beschreibung, Überlagerungen von Wellen (stehende Welle, Interferenz), Reflexion, Streuung, Brechung, Beugung, Polarisation Mehrdimensionale Wellen Licht als Welle Hertz-Dipol Wellencharakter von Licht, Doppelspaltversuch, Interferenz bei Licht, Gitter, Praktikum: Spektralanalyse Leuchtstoffröhre mit Gitter, Rillenbreitebestimmung CD mit Laser, Interferenz an dünnen Schichten (ggf. Schülerreferat) Übergang Schwingkreis-> Hertz-Dipol, Versuche mit dem Hertz-Dipol-Sender, Eigenschaften der Hertz schen Welle, kapazitive & induktive Antenne, Polarisation, Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Informationsübertragung mithilfe EM-Wellen (ggf. Schülerreferat) Quantenphysik Elektromagnetisches Spektrum Das Photon als Quantenobjekt Das Elektron als Quantenobjekt Energie-Quantisierung der Atomhülle Erzeugung von Röntgenstrahlung, elektromagnetisches Spektrum, ggf. Bragg-Reflexion und Demoversuch zur Bestimmung des Kristallgitterabstandes bei LiF Photoeffekt, Energie des Photons, Bestimmung des Planck schen Wirkungsquantums, Doppelspalt-Versuch, Welle-Teilchen-Dualismus, Emissions- und Absorptionsspektren an verschiedenen Beispielen, Laser (ggf. Schülerreferat) 11: Struktur der Materie Atomhülle; Energie-Quantisierung, 13. Modellvorstellung und Weltbilder geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern; Quantenphysik: Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten: