Schulinternes Curriculum des Faches Physik für die Sekundarstufe II

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1 Schulinternes Curriculum des Faches Physik für die Sekundarstufe II Inhalt Jahrgangsstufe EF... 2 Qualifizierungs-Phase (Q 1, Q 2 ) [11 12] Übersicht... 9 Verbindliche Reihenfolge Fachliche Hinweise Experimente zur Vorbereitung auf das Zentralabitur Fachmethoden... 24

2 Jahrgangsstufe EF Hinweis: Die Reihenfolge der Themen in dieser Tabelle ist verbindlich für die Unterrichtsreihenfolge! fett: obligatorisch, Richtlinien normal: empfohlen Experimente - KINEMATIK UND DYNAMIK DES MASSENPUNKTES Einstieg: Messung der Geschwindigkeit von Gasblasen in einem mit Wasser gefüllten, geneigten Glasrohr Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung Luftkissenfahrbahn: Schiefe Ebene träge Masse, Trägheitssatz Kraft, Grundgleichung der Mechanik Kräfteparallelogramm mit Federwaagen an der Magnettafel Luftkissenfahrbahn horizontal: Beschleunigung durch ein Gewicht, dessen Gewichtskraft von einer Rolle umgelenkt wird. Elastischer und unelastischer Stoss auf der Stahlschienen- oder Luftkissenbahn. Impuls, Impulserhaltung Kraftstoß und Impulsänderung Start der Luftkissenbahn durch den Stoß mit einem Pendel Freier Fall: Kugelfallversuch Seite 2 von 25

3 fett: obligatorisch, Richtlinien normal: empfohlen Experimente Modell des Massenpunktes Bezugssystem, Inertialsystem, Galilei-Transformation Wurfbewegungen Kreisbewegung, Zentripetalkraft Trägheitskräfte in beschleunigten Bezugssystemen (Zentrifugalkraft, Corioliskraft) Seite 3 von 25

4 Richtlinien Experimente ENERGIE UND ARBEIT Lageenergie und Hubarbeit Fadenpendel: Umwandlung der potentiellen Energie in kinetische Energie durch Messung der Geschwindigkeit im Nulldurchgang Bewegungsenergie und Beschleunigungsarbeit Spannenergie und Spannarbeit Eckige Klammer bedeutet: Am Ende, falls Zeit bleibt. [Energieentwertung und Reibungsarbeit ] Energiebilanzierung bei Übertragung und Umwandlung - Erhaltung und Entwertung der Energie Stoßvorgänge (s. o. Impulserhaltung) Seite 4 von 25

5 Richtlinien Experimente ROTATION DES STARREN KÖRPERS Modell des starren Körpers Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Drehbewegung Trägheitsmoment, Drehmoment, Rotationsenergie Keine Experimente sondern Herleitung der entsprechenden Größen der Rotation: Winkelgeschwindigkeit, Drehimpuls, Drehmoment, Trägheitsmoment, Rotationsenergie in Analogie zur linearen Bewegung. Der Drehimpuls wird z.b. beim Bohrschen Atommodell oder bei den Planentenbewegungen wieder benötigt. Drehimpuls, Drehimpulserhaltung Kreisel (Präzession) Seite 5 von 25

6 Richtlinien Experimente MECHANISCHE SCHWINGUNGEN Schwingungsvorgänge und Schwingungsgrößen Federpendel und Fadenpendel harmonische Schwingung gedämpfte Schwingung, [Erzeugung ungedämpfter Schwingungen] Projektion der Schwingung und der Kreisbewegung Federpendel: gedämpfte Schwingung, Erfassung der Messwerte mit Cassy (berührungsfreie Messung der Geschwindigkeit über Induktion, nur phänomenlogische Erklärung des Messprinzips) Federpendel: erzwungene Schwingung, Erfassung der Messwerte mit Cassy erzwungene Schwingung, Resonanz Gekoppelte Pendel Überlagerung von Schwingungen [nichtlineare Schwingungen, Vorhersagbarkeit des Schwingungsverhaltens] Seite 6 von 25

7 Richtlinien Experimente MECHANISCHE WELLEN Entstehung und Ausbreitung von Transversal- und Longitudinalwellen, Wellengleichung Sling, Wellenmaschine Beugung, Huygens'sches Prinzip, Reflexion, Brechung Interferenz von Wellen, stehende Welle Wellenwanne (Auslöschung und Verstärkung auf den Hyperbeln) Schall als mechanische Welle, Ultraschall, Infraschall Eigenschwingungen (Grund- und Obertöne, Synchronisationsphänomene) Stehende Welle auf einem Seil, Kundt sches Rohr, Chladni sche Klangfiguren Dopplereffekt Seite 7 von 25

8 Richtlinien Experimente GRAVITATION astronomische Weltbilder Kepler'sche Gesetze, unser Planetensystem Gravitationsgesetz, Gravitationsfeld, Gravitationsfeldstärke Energie und Arbeit im Gravitationsfeld, Potential Cavendish-Gravitationswaage: 2 0 D * J Raketenprinzip, Raumfahrt Benutzung der Eigenschwingung des Drehpendels um die Auslenkung. Kosmologischer Ausblick Seite 8 von 25

9 Qualifizierungs-Phase (Q1, Q2) [11 12] Übersicht Vorgaben Zentral-Abitur 2009 [ alles verbindlich ] Hinweise 2009 [ alles verbindlich ] Experimente 2009 [in Vorgaben Abitur empfohlen] Richtlinien fett: obligator. GK u LK fett kursiv: obligatorisch nur LK - Feldkraft auf - elektrisches Feld, Ladungsträger im elektrische Feldstärke Ladungen und Felder homogenen Feld - zentralsymmetr. Feld, - elektrisches Feld, elektrische Feldstärke - radialsymmetrisches Feld z.b. mit der Drehwaage [Schürholz] Coulombsches Gesetz - pot. Energie im elektr Feld, Spannung, Potential - elektr Feldkonstante -- Feldkraft auf Ladungsträger im - elektr Kapazität homogenen Feld, - Influenz - Dielektrikum, Dielektr.zahl -- radialsymmetrisches Feld - elektr Feld als Energieträger, (nur Leistungskurs) - Ein- und Ausschalt- Energiedichte vorgänge bei Kon- - magnet. Feld, densatoren magnet Feldgröße B Seite 9 von 25

10 - potenzielle Energie im elektrischen Feld - magnetisches Feld, magnetische Feldgröße B, Lorentzkraft (Stromwaage) - Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern -- Braunsche Röhre, -- Fadenstrahlrohr, -- Wien-Filter, -- Hall-Effekt (nur Leistungskurs) - Millikan-Versuch - Braunsche Röhre - Fadenstrahlrohr - Wien-Filter - Hall-Effekt - Stromwaage - Lorentzkraft - magnet Feldkonstante - Ferromagnetismus, Permeabilität - Bewegung v LadTrägern in elektr u magnet Feldern - Erzeugung eines e - -Strahls - e/m Bestimmung - elektr LeitgsVorgänge in festen Körper, Flüssigkeiten u Gasen Seite 10 von 25

11 Vorgaben Hinweise Experimente Richtlinien - elektromagn Induktion, Induktionsgesetz Elektromagnetismus - Magnetfelder stromdurchflossener - Selbstinduktion, Leiter und Spulen Induktivität - Induktion in Spulen - Magnetfeld als Träger v - Elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz -- Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld Berücksichtigung der Änderung der magnetischen Flussdichte B und der durchsetzten Fläche A beim Induktionsgesetz - Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld - Verzögerter Einschaltvorgang bei Parallelschaltung von L und R - Ein- und Ausschaltvorgänge bei Energie, Energiedichte - Erzeugung von ~Spannung - Transformator, Übertragung elektr Energie - ~Strom-Widerstände, Spulen Reihen- u Parallel-Schaltg, - Selbstinduktion, Induktivität - Schwingkreise mit und ohne Leistung -- verzögerter Einschaltvorgang bei Dämpfung -- Parallelschaltung von L und R, -- Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen Seite 11 von 25

12 Elektromagnetische Schwingungen - Mikrowelleninterferenz - elektromagnet SchwgKrs und Wellen (Grundphänomene, Analo- - Elektromagnetischer Schwingkreis, Analogie zum mechanischen Oszillator (RCLSchwingkreis 1Hz, Federpendel) - Interferenz -- Mikrowelleninterferenz Kenntnis der Thomsonschen Schwingungsformel, Analogie zum mechanischen Oszillator auch bezüglich der Energiebilanzen - Wellenwanne - Lichtbeugung am -- Spalt -- Doppelspalt und -- Gitter gien zum mechan Osz) - Erzeugg ungedämpfter e.m. Schwinggen, Rückkopplung - e.m. Wellen (Ausbreitung, Hertzscher Dipol, Maxwell sche Postulate) - Ausbreitung v Licht (Beugung, Interferenz, Reflexion, Brechung, -- Wellenwanne - Wellenlängenmessung Polarisation) -- Lichtbeugung am Spalt - IR- u UV-Strahlg, Strahlungs -- Doppelspalt und Gitter gesetze -- Wellenlängenmessung - Michelson-Experiment - Informations-Übertragung d [ Interferometer ] e.m. Wellen - Holographie Seite 12 von 25

13 Vorgaben Hinweise Experimente Richtlinien - Invarianz der Newton schen Relativitätstheorie (nur Leistungskurs) Mechanik bei Inertialsystem wechsel - Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und - Ätherhypothese u Michelson- deren Konsequenzen (Michelson [-Morley] Experiment) Lorentzkontraktion, Zeitdilatation und der relativistische Energiesatz Versuch - relativist Kinematik - relativistischer Impuls, E 2 0 = E 2 - p 2 c 2 ; keine Lorentztransformation und keine Minkowski- Michelson -[Morley] Experiment - Erhaltungssätze d relativist Dynamik Äquivalenz von Masse und Energie Diagramme - Äquivalenz von Masse u Energie - Invarianz der elektr Ladung - Transformation elektr u magnet Felder Seite 13 von 25

14 [nur Pflichtprogramm] Thermodynamik (nur Leistungskurs) - Thermodynamische Maschinen (Stirling-Motor, Stirling-Kreisprozess, Wärmepumpe) - 1. HS d Thermodynamik - Entropie u 2. HS der ThDyn - dissipative Strukturen Seite 14 von 25

15 Vorgaben Hinweise Experimente Richtlinien Atom- und Kernphysik - Linienspektren und Energiequantelung des Atoms, Atommodelle (Beobachtung von Spektrallinien am Gitter, Franck-Hertz-Versuch) - Ionisierende Strahlung (Röntgenspektroskopie) - Radioaktiver Zerfall (Halbwertszeitmessung, Reichweite von Gammastrahlung, Absorption von Gammastrahlung) Bohrsches Atommodell, Potentialtopfmodell (nur Leistungskurs) - Beobachtung von Spektrallinien am Gitter [ Freiland-Versuch ] - Franck-Hertz-Versuch [ Röntgenphysik ] -- Röntgenspektroskopie -- Röntgenbeugung -- Absorptionsspektren [ Radioaktivität ] -- Halbwertszeitmessung -- Reichweite von Gammastrahlung -- Absorption von Gammastrahlung -- Natürliche Radioaktivität α,β,γ-strahlung - Atommodelle - ionisierende Strahlung (Strahlungs-Arten, Nachweismethoden) - radioakt Zerfall (Zerfallsgesetz, Zerfallsprozesse) - Spektroskopie (Röntgen-, - und -Strahlg) - Kernspaltung und Kernfusion (Kernbausteine, Bindungs- Energie, Kettenreaktion) -- Szintillationszähler (wenn vorh.) u. Seite 15 von 25

16 -- Energieverteilung [der Strahlg. ] -- Künstliche Radioaktivität -- Neutronenaktivierung (in der Regel als Film oder Simulation) Quanteneffekte - Lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese -- h-bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode - de Broglie-Theorie des Elektrons, Welleneigenschaften von Teilchen, -- Elektronenbeugung an polykristalliner Materie - Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik -- Doppelspaltversuch mit Elektronen und - h-bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode - Elektronenbeugung an polykristalliner Materie - lichtelektr. Effekt und Lichtquantenhypothese - Linienspektrum u Energie- Quantelung d Atoms, - Bohr sches Atommodell [verbindl. wg. Hinweise!!] - De Broglie-Theorie d Elektr.s - Grenzen d Anwendbarkeit klass. Begriffe in der Quantenphysik - Heisenberg sche Unbestimmtheitsrelation - Quantenobjekte u Mess-Prozesse - Schrödinger-Gleichung u Anwendungen (H-Atom, Seite 16 von 25

17 Licht reduzierter Intensität Tunnel-Effekt) - Pauli-Prinzip (Spin, Aufbau des Periodensystems) Seite 17 von 25

18 Verbindliche Reihenfolge Verbindliche Reihenfolge im GK Verbindliche Reihenfolge im LK Stoff der 12 Ladungen und Felder Ladungen und Felder - elektrisches Feld, elektrische Feldstärke -- Feldkraft auf Ladungsträger im homogenen Feld, - elektrisches Feld, elektrische Feldstärke -- Feldkraft auf Ladungsträger im homogenen Feld, -- radialsymmetrisches Feld - potenzielle Energie im elektrischen Feld - potenzielle Energie im elektrischen Feld - magnetisches Feld, magnetische Feldgröße B, Lorentzkraft (Stromwaage) - magnetisches Feld, magnetische Feldgröße B, Lorentzkraft (Stromwaage) - Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Seite 18 von 25

19 Feldern -- Braunsche Röhre, -- Fadenstrahlrohr, -- Wien-Filter, - Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern -- Braunsche Röhre, -- Fadenstrahlrohr, -- Wien-Filter, -- Hall-Effekt Elektromagnetismus Elektromagnetismus - Elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz -- Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld - Elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz -- Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld - Selbstinduktion, Induktivität -- verzögerter Einschaltvorgang bei -- Parallelschaltung von L und R, -- Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen - Selbstinduktion, Induktivität -- verzögerter Einschaltvorgang bei -- Parallelschaltung von L und R, -- Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen Seite 19 von 25

20 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Elektromagnetische Schwingungen und Wellen - Elektromagnetischer Schwingkreis, Analogie zum mechanischen Oszillator (RCL-Schwingkreis 1Hz, Federpendel) - Elektromagnetischer Schwingkreis, Analogie zum mechanischen Oszillator (RCLSchwingkreis 1Hz, Federpendel) - Interferenz -- Mikrowelleninterferenz -- Wellenwanne -- Lichtbeugung am Spalt -- Doppelspalt und Gitter -- Wellenlängenmessung - Interferenz -- Mikrowelleninterferenz -- Wellenwanne -- Lichtbeugung am Spalt -- Doppelspalt und Gitter -- Wellenlängenmessung Relativitätstheorie - Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und deren Konsequenzen (Michelson [-Morley] Experiment) - relativistischer Impuls, Äquivalenz von Masse und Energie Seite 20 von 25

21 Stoff der 13 Thermodynamik - Thermodynamische Maschinen (Stirling-Motor, Stirling-Kreisprozess, Wärmepumpe) Atom- und Kernphysik Atom- und Kernphysik - Linienspektren und Energiequantelung des Atoms, Atommodelle (Beobachtung von Spektrallinien am Gitter, Franck-Hertz-Versuch) - Linienspektren und Energiequantelung des Atoms, Atommodelle (Beobachtung von Spektrallinien am Gitter, Franck-Hertz-Versuch) - Ionisierende Strahlung (Röntgenspektroskopie) - Ionisierende Strahlung (Röntgenspektroskopie) - Radioaktiver Zerfall (Halbwertszeitmessung, Reichweite von Gammastrahlung, Absorption von Gammastrahlung) Quanteneffekte - Lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese -- h-bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode - Radioaktiver Zerfall (Halbwertszeitmessung, Reichweite von Gammastrahlung, Absorption von Gammastrahlung) Quanteneffekte - Lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese -- h-bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode - de Broglie-Theorie des Elektrons, Welleneigenschaften von Teilchen, - de Broglie-Theorie des Elektrons, Welleneigenschaften von Teilchen, Seite 21 von 25

22 -- Elektronenbeugung an polykristalliner Materie -- Elektronenbeugung an polykristalliner Materie - Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik -- Doppelspaltversuch mit Elektronen und Licht reduzierter Intensität - Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik -- Doppelspaltversuch mit Elektronen und Licht reduzierter Intensität Seite 22 von 25

23 Fachliche Hinweise Für das Zentralabitur im Fach Physik gelten unverändert die veröffentlichten Vorgaben (Stand Februar 2005). Die unter in Netz gestellten Beispielaufgaben verdeutlichen den Zusammenhang der Obligatorik des Fachs mit diesen Vorgaben. Die folgenden Hinweise sollen der weiteren Klärung und Präzisierung dienen: Zum Grad der erwarteten mathematischen Kompetenzen: Neben Kompetenzen aus dem Grundkurs Mathematik werden folgende weitere mathematische Kompetenzen vorausgesetzt: für Grund- und Leistungskurs: Kenntnis der Punktnotation für Ableitungen von physikalischen Größen nach der Zeit Umgang mit trigonometrischen Funktionen für den Leistungskurs: Lösungen von Differenzialgleichungen mit vorgegebenem Ansatz, wie sie bei ungedämpften harmonischen Schwingungen, bei Ein- und Ausschaltvorgängen und beim radioaktiven Zerfall zur mathematischen Beschreibung der Vorgänge herangezogen werden. Zu Hilfsmittel : Es sind nur die im Handel erhältlichen und im Kurs genutzten Formelsammlungen zulässig, keine selbst erstellten oder ergänzten. Als Taschenrechner sind die im Kurs genutzten Rechner zulässig, auch grafikfähige Taschenrechner oder CAS. Seite 23 von 25

24 Zu Inhaltliche Schwerpunkte : Die in den Vorgaben in Klammern angegebenen Experimente sind geeignete Beispiele für die Erarbeitung der Inhalte im Unterricht. Ihre Durchführung ist nicht obligatorisch. Experimente zur Vorbereitung auf das Zentralabitur Die Liste enthält empfehlenswert durchzuführende Experimente sowohl im Grundkurs als auch im Leistungskurs Physik, der Unterschied ist nur bei der Tiefe der Analyse zu sehen. Die Durchführung der Experimente sollte im Zentrum des Unterrichts stehen, wenn die Sammlung es zulässt. Sofern die Ausstattung der Sammlung die Durchführung nicht zulässt, ist es auch möglich die Experimente z.b. mit Hilfe von Filmen oder Simulationen zu beschreiben oder das Internet zu nutzen, um die Durchführung online zu demonstrieren, was von einigen Hochschulen schon angeboten wird. Auch eine Besprechung mit Darstellungen in Lehrbüchern ist möglich, wenn auch die anderen Alternativen vorzuziehen sind. Schülerexperimente sind wo möglich dem Demonstrationsexperiment vorzuziehen. Fachmethoden Der Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe vermittelt neben der Kenntnis wichtiger physikalischer Phänomene, Begriffe, Gesetze und Modelle mindestens gleichrangig eine Vertiefung und Weiterführung fachspezifischer Methoden und Arbeitsweisen, die insbesondere dazu beitragen, Schülerinnen und Schüler physikalische Sichtweisen sowie Möglichkeiten und Grenzen naturwissenschaftlichen Denkens erfahren zu lassen. Die Fachmethoden werden im Rahmen der kontextorientierten Behandlung der Inhalte der Sachbereiche integrativ vermittelt. Dabei baut der Unterricht auf dem der Sekundarstufe I auf und intensiviert, präzisiert und erweitert die in den Richtlinien und Lehrplänen formulierten Fachmethoden. So sollen die Schülerinnen und Schüler in der gymnasialen Oberstufe insbesondere folgende Fähigkeiten und Fertigkeiten erreichen: Seite 24 von 25

25 Beobachten, beschreiben, physikalisch fragen Erscheinungen in Natur, Umwelt, Technik und Experiment aus physikalischer Sicht beobachten und Phänomene unter physikalischen Fragestellungen theorie- und modellgeleitet beschreiben und analysieren aus Beobachtungen physikalische Fragestellungen entwickeln und formulieren bzw. mit physikalischen Methoden den mithilfe der Physik beschreibbaren Bereich des jeweiligen Wirklichkeitsausschnitts erschließen sowie Arbeitshypothesen aufstellen, überprüfen und modifizieren mit Gesprächspartnern unterschiedlicher physikalischer Vorbildung über physikalische Sachverhalte angemessen kommunizieren (adäquate Verwendung von Fach- und Umgangssprache) Experimente planen und durchführen umfangreichere und anspruchsvollere Experimente planen, sorgfältig durchführen und auswerten verschiedene Visualisierungsmöglichkeiten der Messwerte kennen, angemessen verwenden und bewerten Physikalische Gesetze und Begriffe erarbeiten anhand der grafischen und rechnerischen Auswertung von Experimenten Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen qualitativ und quantitativ darstellen Gesetze finden und sie unter Zuhilfenahme geeigneter Modelldarstellung (Modellbildung) formulieren Seite 25 von 25

26 sich sinnvoll und angemessen der verschiedenen Wege der physikalischen Erkenntnisgewinnung bedienen physikalische Begriffe bilden Gesetze und Modelle anwenden und reflektieren physikalische Gesetze und Modelle zur Erklärung und Vorhersage von Phänomenen heranziehen die Berechtigung, die Zweckmäßigkeit, den Gültigkeitsbereich und die Grenzen von Modellen bewerten Gesetze und Modelle anwenden und hinsichtlich ihrer Bedeutung und Tragfähigkeit reflektieren Physikalische Erkenntnisse auf aktuelle außerschulische Probleme anwenden physikalische Erkenntnisse zur Klärung von Problemen der Lebenswelt heranziehen den Beitrag der Physik zur Beurteilung und Lösung von Problemen der Umwelt und Technik erkennen und bewerten Seite 26 von 25

27 Die Bedeutung physikalischer Erkenntnisse reflektieren den Einfluss physikalischer Erkenntnisse auf das Weltbild und das Bild vom Menschen reflektieren die grundsätzliche Begrenztheit von Inhalt und Bedeutung physikalischer Erkenntnisse erkennen und hinterfragen die Wechselwirkung physikalischer Erkenntnisse mit der gesellschaftlichen Entwicklung erkennen. Seite 27 von 25

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