Fachcurriculum Physik Oberstufe JRG

Transkript

1 Fachcurriculum Physik Oberstufe JRG Anmerkungen In diesem Curriculum sind die wesentlichen Inhalte des Lehrplans Physik zusammengestellt und den Klassenstufen 10 bis 12 der gymnasialen Oberstufe in G8, entsprechend Klassenstufe 11 bis 13 in G9, zugeordnet. Dies soll der Orientierung bei der Unterrichtsplanung dienen. Genauere Ausführungen zu den Inhalten sowie Ergänzungen und Vertiefungsmöglichkeiten hierzu befinden sich im Lehrplan. Einige Inhalte der Profilklasse sind dort nur benannt, aber für die zweistündige Klasse genauer ausgeführt (und umgekehrt). Schrifttyp Eigene Ergänzungen sind kursiv geschrieben. Diese sollen die Unterrichtsplanung vereinfachen. Optionale Ergänzungen sind z.t. in Klammern gesetzt. Besonders zentrale Begriffe sind fett gesetzt. Rahmenbedingungen Die Kürzungen sowie die Konzentration auf die wesentlichen Inhalte sind nötig, damit jeweils die Voraussetzungen für den Unterricht in den folgenden Klassenstufen geschaffen werden, obwohl die Stundenzahl gegenüber dem für G9 konzipierten Lehrplan reduziert ist (2 Stunden pro Woche bzw. im Profil 3 oder 4 Stunden pro Woche gegenüber 3 Stunden pro Woche im Grundkurs bzw. 5 Stunden pro Woche im Leistungskurs). Profile Die Inhalte sind getrennt aufgeführt für ein zweistündiges Curriculum, welches das Biologieprofil ergänzt, und für das Physikprofil, das von der Biologie und Chemie unterstützt wird. Vorschläge für profilergänzendes Arbeiten sind direkt bei den Inhalten eingefügt. Diese sollen Möglichkeiten zeigen, wie einerseits im zweistündigen Physikkurs das Profilfach Biologie ergänzt werden kann, und wie andererseits die Biologie und die Chemie das Profilfach Physik ergänzen können. Seite 1 von 10

2 Inhaltsverzeichnis Fachcurriculum Physik Oberstufe JRG... 1 Anmerkungen... 1 Zweistündig Klasse, zweistündig: Mechanik und Wellen Optik Kinematik und Dynamik Energie Gravitation Mechanische und optische Wellen Klasse zweistündig Elektrische Ladung und Felder Klimamodell Quantenphysik des Lichts Klasse zweistündig Quantenphysik des Atoms Wahlkurse...6 Profil Klasse, Profil: Mechanik und Wellen Kinematik und Dynamik Gravitation Schwingungen (Wellen, Wellenpakete) Klasse, Profil Elektrisches und magnetisches Feld (Schwingungen,) Wellen, Wellenpakete Klasse, Profil Elemente der Quantenphysik und Atomphysik Wahlkurse...10 Seite 2 von 10

3 Zweistündig 10. Klasse, zweistündig: Mechanik und Wellen 10.1 Optik Profilergänzend zum Thema Zellbiologie: Optik, Brechung, Linsen, Funktionsweise Mikroskop (2-3 Doppelstd.) 10.1 Kinematik und Dynamik Zeit, Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung (Zusatzgeschwindigkeit), t-s-, t-v- und t-a-diagramme, Interpretation der Messwerte und Diagramme Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung (iterative Berechnung der t-s-, t-v- und t-a-funktionen) Impuls als Erhaltungsgröße, Masse, Stöße, Impulsänderungsrate als Kraft, Grundgleichung der Mechanik Energie als Erhaltungsgröße, Energieterme, Schwerpunkt mechanische Energieformen Leistung (bzw. Energiestrom, P=v F ) Ergänzende Inhalte: waagerechter Wurf, Bahnkurven als x-y-diagramme, schräger Wurf (Luftreibung und cw-wert, Bahnverlauf mit Reibung) 10.2 Energie Profilergänzend zum Thema Stoffwechsel: Energie nochmals aufgreifen: Experiment: Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie im Wasserkocher, Temperaturerhöhung, Definition 1 Joule, Grundumsatz des Menschen 10.2 Gravitation gleichförmige Kreisbewegung, Kraft- und Impulskomponenten, Zentripetalkraft (Newton'sches Gravitationsgesetz, Gravitationskonstante, Erdbeschleunigung, Kraft auf der Kreisbahn im Gravitationsfeld, Energie im Gravitationsfeld, kosmische Geschwindigkeiten, Satellitenbahnen, Kräfte auf punktförmige und ausgedehnte Körper im Gravitationsfeld, Schwerelosigkeit als freier Fall, Gezeiten, Massen und Entfernungen im Sonnensystem) 10.2 Mechanische und optische Wellen knapp: (harmonische) Schwingungen (Vergleich Pendel und Kreisbewegung) Geogebra: Schwingungsgrößen: Elongation, Amplitude, Schwingungsdauer, Frequenz, (Phasendifferenz, Überlagerung von Schwingungen, Phasendifferenz Δ ϕ=2 π Δ s ), λ Seite 3 von 10

4 Überlagerung von Wellen, Interferenz von Wasserwellen, Interferenz von Schallwellen, Interferenz von Licht (mit zwei reellen oder virtuellen Lichtquellen) am Doppelspalt und Gitter, Licht als Welle Wellengrößen: Wellenlänge λ, Phase ϕ, Phasengeschwindigkeit c=λ f, (Gruppengeschwindigkeit,) Gangdifferenz Δ s Erklärung der Interferenz von Wellen, Bedingungen für maximale Verstärkung bzw. Abschwächung, Phasendifferenz Δ ϕ=2 π Δ s λ Farbe und Wellenlänge, Wellenlängenbestimmung mit Zweistrahlinterferenz, Vielstrahlinterferenz, Interferenz am Gitter, Wellenlängenbestimmung mit dem Gitter, Experiment: Bestimmung der Gitterkonstante von Stoffen oder Federn, Spektren von sichtbarem Licht mit Experiment Interferenz von weißem Licht am Gitter, Spektren von IR- und UV-Licht mit Metzler Seite 4 von 10

5 11. Klasse zweistündig 11.1 Elektrische Ladung und Felder elektrische Ladung q und elektrisches Feld E, Energieaustausch im homogenen elektrischen Feld, elektrische Energie W, Kraft F = q E Profilergänzend zum Thema Genetik: Elektrophorese: Trennung von Stoffen (Proteinen) im elektrischen Feld Millikanversuch, Bestimmung der Elementarladung e magnetisches Feld, magnetische Feldstärke B (magnetische Flussdichte), Lorentzkraft: F L =q E+q v x B Kraft auf bewegte Elektronen im Magnetfeld, (gekreuzte E- und B- Felder) Profilergänzend zum Thema Genetik: Beschleuniger, medizinische Anwendungen, Bestrahlung, Radioaktivität (siehe Lehrplan) (Massenbestimmung von Elementarteilchen) 11.2 Klimamodell Profilergänzend zum Thema Ökologie: Ökosystem Erde: Klimamodell, Treibhauseffekt ( siehe z.b. Dorn Bader Physik Gymnasium Gesamtband Sek II, Schroedel 2000) 11.2 Quantenphysik des Lichts Experimente Zinkplatte, Solarzelle Lichtelektrischer Effekt: gequantelte Absorption von Lichtenergie, Abhängigkeit der Energie der Elektronen von der Frequenz des Lichts, Einstein sche Deutung, Planck sches Wirkungsquantum Experiment Leuchtdioden mit unterschiedlicher Durchlassspannung als Umkehrung des lichtelektrischen Effekts, gequantelte Emission von Licht, e U =h f kurzwellige Grenze der kontinuierlichen Röntgenstrahlung, Braggreflexion (analog zur Interferenz von Licht) (, Spektrum der Röntgenstrahlung) Energie, Impuls und Masse von Photonen, Licht als Teilchen oder Welle (vgl. 10.2) quantisierte Energieverteilung im Interferenzbild (, das Amplitudenquadrat als Maß für die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung) anhand des Metzler, 4. Auflage, Doppelspaltversuch von Licht bei geringer Intensität, Licht als Quantenteilchen (Ergänzungen siehe Lehrplan) Profilergänzend zum Thema Ökologie: Umsetzung von Lichtenergie in den Ozeanen in Biomasse; Giftstoffe in Energiesparlampen und LEDs Seite 5 von 10

6 12. Klasse zweistündig 12.1 Quantenphysik des Atoms Quantenphysikalische Beschreibung von Teilchen Profilergänzend zum Thema Nerven und Sinne: aus 11.1 Elektrische Ladung und Felder auffrischen für das Thema Reizweiterleitung Experiment: Elektronenbeugungsröhre, Elektronenbeugung, Wellenphänomene bei bewegten Elektronen, De-Broglie-Wellenlänge, (Elektronen am Doppelspalt) (, ψ - Funktion und ) Antreffwahrscheinlichkeit Metzler 4. Auflage, S. 400 Energieaufnahme und Energieabgabe von Gasatomen, Franck-Hertz-Versuch, Emissionsspektren und Absorptionsspektren von Gasen Elektronen im linearen Potentialtopf, stehende Elektronenwellen, Energiequantelung, stehende mechanische Wellen (Feder, Seil, Schall) Profilergänzend zum Thema Nerven und Sinne: Das Auge und Sehen Lochkamera, Linse, Auge, Sehen, Sehfehler (Experiment Augenmodell) Experiment additive und subtraktive Farbmischung Erklärung des Farbensehens, Farbstoff anhand des linearen Potentialtopfs (Ergänzungen siehe Lehrplan, z.b. chemische Bindung) 12.2 Wahlkurse Profilergänzend zum Thema Evolution: Wahlkursthema oder Themen mit Bezug zur Evolution, z.b. Heisenbergsche Unschärferelation, Thermodynamik, Klimaphysik, Entwicklung des Weltalls seit dem Urknall, Bill Bryson: A Short History of Nearly Everything, Doubleday 2003 / Black Swan 2004 vergleiche Lehrplan: Spezielle Relativitätstheorie Astrophysik, Physik der Sterne Thermodynamik, Klimaphysik Atom- und Kernphysik, Atome, Atomkerne, Quarks Seite 6 von 10

7 Profil 10. Klasse, Profil: Mechanik und Wellen 10.1 Kinematik und Dynamik Zeit, Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung (Zusatzgeschwindigkeit), t-s-, t-v- und t-a-diagramme, Interpretation der Messwerte und Diagramme Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung (iterative Berechnung der t-s-, t-v- und t-a-funktionen) Impuls als Erhaltungsgröße, Masse, Stöße, Impulsänderungsrate als Kraft, Grundgleichung der Mechanik Energie als Erhaltungsgröße, Energieterme, Leistung (bzw. Energiestrom, P = v * F) Biologie: Stoffwechsel, Energie Chemie: Nahrungsmittel, Energie Ergänzende Inhalte: waagerechter Wurf, Bahnkurven als x-y-diagramme, schräger Wurf (Luftreibung und cw-wert, Bahnverlauf mit Reibung) 10.2 Gravitation gleichförmige Kreisbewegung, Kraft- und Impulskomponenten, Zentripetalkraft (Newton'sches Gravitationsgesetz, Gravitationskonstante, Erdbeschleunigung, Kraft auf der Kreisbahn im Gravitationsfeld, Energie im Gravitationsfeld, kosmische Geschwindigkeiten, Satellitenbahnen, Kräfte auf punktförmige und ausgedehnte Körper im Gravitationsfeld, Schwerelosigkeit als freier Fall, Gezeiten, Massen und Entfernungen im Sonnensystem) 10.2 Schwingungen (Wellen, Wellenpakete) Schwingungen (und Wellen) harmonische Schwingung, Zeigerdarstellung, Gesetze der harmonischen Schwingung, Energie des harmonischen Oszillators, Geogebra: Schwingungsgrößen: Elongation, Amplitude, Schwingungsdauer, Frequenz, (Phasendifferenz, Überlagerung von Schwingungen, Phasendifferenz Δ ϕ=2 π Δ s ), Biologie: das Ohr, Hören Chemie: wenn möglich in Klassenstufe 10, sonst in 11: Töne und Klänge: Überlagerung von Schwingungen, Schwebung, (Fourieranalyse, akustische Unschärfe Δ f Δ t= 1 2,) knapp: Dämpfung, Resonanz λ Seite 7 von 10

8 11. Klasse, Profil 11.1 Elektrisches und magnetisches Feld Ladungen und Felder Biologie: Reizweiterleitung, Membranpotential, Synapsen; Tiere, die Spannungen erzeugen (z.b. Zitteraal) Chemie: galvanische Zelle elektrische Ladung q und elektrisches Feld: homogenes Feld, radialsymmetrisches Feld, elektrische Feldstärke E, Kraft F = q E, elektrische Feldkonstante, Coulomb sches Gesetz, Potential und Spannung U =Δ Φ, Kapazität C =q/u Kondensator als Energiespeicher W = 1 2 CU 2, ( Dielektrikum, Energiedichte des elektrischen Feldes, ) Millikanversuch Elementarladung e, Ablenkung des Elektronenstrahls im elektrischen Feld (Oszilloskop oder Braun sche Röhre) elektrische Energie W, Ladung und magnetisches Feld: Kraft auf stromdurchflossene Leiter bzw. bewegte Elektronen im Magnetfeld, magnetische Feldstärke B, Lorentzkraft F L =q E+q v x B, Hall-Effekt, Elektronenmasse, Erzeugung von Magnetfeldern durch elektrische Ströme, Wiederholung Elektromagnet, magnetische Feldkonstante, Materie im Magnetfeld elektromagnetische Induktion: Induktionsgesetz (, Selbstinduktion, Induktivität, Energiedichte des magnetischen Feldes, Erzeugung von Wechselspannung) (Ergänzungen siehe Lehrplan) 11.2 (Schwingungen,) Wellen, Wellenpakete (Schwingungen und) Wellen harmonische Schwingung und möglichst auch Töne und Klänge in Klassenstufe 10 Biologie: Wellen, Planetarische Wellen; Tiere, die schillern (z.b. Schmetterlingsflügel was haben die Tiere davon?) Chemie: Atommodelle, Orbitalmodell Bewegung mechanischer und akustischer Wellen: Wellengrößen und Wellengleichung, Phasengeschwindigkeit c=λ f, (Gruppengeschwindigkeit,) Schallgeschwindigkeit, (Dopplereffekt) Interferenz und Beugung von Schallwellen: Maxima und Minima der Amplitude, (Stereohören), knapp: Transversal- und Longitudinalwellen Seite 8 von 10

9 Interferenz und Beugung von Lichtwellen: Huygens sches Prinzip, Beugung am Doppelspalt, optischen Gitter, Einzelspalt (, Kohärenz) siehe oben zweistündige Klasse! Optische Spektren: Experiment Interferenz von weißem Licht am Gitter: Frequenz, Wellenlänge und Farbe, kontinuierliches Spektrum Linienspektrum siehe unten stehende Wellen in 12.1 (Ergänzung chaotische Vorgänge siehe Lehrplan) Seite 9 von 10

10 12. Klasse, Profil 12.1 Elemente der Quantenphysik und Atomphysik Quantenphysik des Lichts Biologie: das Auge, Sehen, Farbwahrnehmung Chemie: Farbstoffe, delokalisierte Elektronen quantisierte Wechselwirkung mit Licht: Experiment Lichtelektrischer Effekt und Umkehrung mit Leuchtdioden, siehe oben unter 11.2 zweistündig, Planck sches Wirkungsquantum; Energie, Impuls und Masse von Photonen, kurzwellige Grenze der kontinuierlichen Röntgenstrahlung, Compton-Effekt Braggreflexion fehlt? siehe oben unter 11.2 zweistündig (Eigenschaften von Mikroteilchen:) Doppelspaltversuch mit Licht bei geringer Intensität anhand des Metzler, 4. Auflage, Wahrscheinlichkeit und (Wahrscheinlichkeitsamplitude der) Wellenfunktion Ψ (, Antreffwahrscheinlichkeit,) Elektronenbeugung am Kristall oder Doppelspaltversuch mit Elektronen, De-Broglie-Wellenlänge λ= h p (, Unschärferelation) Reflexion und Überlagerung: Reflexion linearer Wellen am festen und freien Ende, stehende Wellen, Eigenschwingungen (vorher Leistungskurs 12.2) quantenphysikalisches Atommodell: Franck-Hertz-Versuch, Linienspektrum in Emission und Absorption, linearer Potentialtopf, knapp: Wasserstoffatom, Energiequantelung (Energieniveauschema) siehe oben unter 12.1 zweistündig (Anwendungen des quantenphysikalischen Atommodells: Quantenzahlen, Pauli-Prinzip, Periodensystem, Moseley sches Gesetz, Laser, chemische Bindungen, Farbstoffmoleküle) (Ergänzende Inhalte: philosophische Aspekte der Quantenphysik, Quantenphysik in Chemie und Biologie) 12.2 Wahlkurse siehe Lehrplan: Spezielle Relativitätstheorie Astrophysik, Physik der Sterne Thermodynamik, Energie und Entropie Kernphysik, Quantenphysik des Atomkerns und radioaktiver Zerfall Festkörperphysik, Quantenphysik des Festkörpers Biologie: Evolution Chemie: Kernchemie, Herkunft der Elemente Seite 10 von 10