Physik in der Sekundarstufe II

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1 Physik in der Sekundarstufe II Warum fallen eigentlich alle Körper gleich schnell? Hat es wirklich den gleichen Effekt, wenn ein Auto mit 50 km/h gegen eine Betonmauer fährt, als wenn es aus 10 m Höhe herabstürzt? Ist das das Gleiche, wie wenn zwei Autos mit 25 km/h frontal zusammenstoßen? Wie viel Energie benötigt eigentlich ein Beschleunigungsvorgang? Kann man überall Fernsehsatelliten installieren oder gibt es Bedingungen für ihren Ort, ihre Geschwindigkeit und ihre Flughöhe? Wie kann man eigentlich die Masse der Erde bestimmen? Fragen dieser Art könnt Ihr kompetent beantworten, wenn Ihr im Physikunterricht des ersten Jahres der Oberstufe mitgemacht habt. Das zugehörige Teilgebiet heißt Mechanik und beinhaltet die Beschreibung von Bewegungen und Begriffe wie Kraft, Energie und Impuls. Im zweiten Jahr geht es um Elektrizität und Magnetismus. Einen Schwerpunkt stellen Elektronenstrahlen dar, z.b. in Bildröhren und Oszilloskopen. Außerdem geht es um Geräte wie Massenspektroskope und Teilchenbeschleuniger, mit denen der Aufbau der Materie untersucht werden kann. Doch nicht nur so komplizierte Apparaturen werden besprochen, auch einfache Selbstbaugeräte kommen zum Einsatz, etwa die Tangentenbussole bei der Bestimmung der Stärke des Erdmagnetfelds oder der Kelvin-Generator beim Betrieb einer Glimmlampe. Ein weiterer wichtiger Bereich im zweiten Jahr ist die Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe von Generatoren und deren Umwandlung mit Hilfe von Transformatoren. Zuletzt geht es um die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen, die in Stromkreisen von elektronischen Musikgeräten eine grundlegende Rolle spielen. Im dritten und letzten Jahr der Oberstufe wird an die elektromagnetischen Schwingungen angeknüpft und die drahtlose Übertragung von Musik und Sprache durch elektromagnetische Wellen besprochen. Dass sich Wellen überlagern und dabei auslöschen oder verstärken können (Interferenz) wird an eindrucksvollen Versuchen verdeutlicht. Auch Licht ist eine elektromagnetische Welle, wie man an entsprechenden Interferenzversuchen zeigen kann. In diesem Zusammenhang wird auch klar, wie die Farben von Seifenblasen entstehen, oder warum Foto-Objektive ebenfalls farbig schillern. Abbildung 1: Farberscheinungen auf einer Seifenblase, durch Interferenz von Lichtwellen entstanden Licht hat aber auch Teilcheneigenschaften (Photonen) und Teilchen wie Elektronen auch Welleneigenschaften, wie im Rahmen der Atomphysik gezeigt wird, wo z.b. thematisiert wird, wie die Elektronenbahnen in den Atomen zustande kommen. Zum Schluss geht es dann noch um den Atomkern, seinen Aufbau und den radioaktiven Zerfall. Im Leistungskurs werden dann noch Grundzüge der Relativitätstheorie behandelt, also z.b. die Frage, wieso Myonen (winzige Teilchen), die in der oberen Erdatmosphäre entstehen, auf der Erdoberfläche nachweisbar sind, obwohl sie es aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Le- Lehrplan Physik SekII Physik Gutenberg-Gymnasium 1 von 5

2 bensdauer gar nicht dorthin schaffen dürften (Antwort: Sie sind so schnell, dass bei ihnen die Zeit langsamer vergeht.) Auch die Thermodynamik (Wärmelehre) kommt nur in LK zur Sprache. Hier geht es vor allem um Wärmekraftmaschinen (Motoren) und deren energetischen Wirkungsgrad, also wie viel von der in einem Verbrennungsmotor erzeugten Wärmeenergie maximal in Bewegungsenergie umgewandelt werden kann. Ein Letztes: Die Mathematik spielt in der Physik eine wichtige Rolle. Allerdings ist es nicht Voraussetzung, dass man schon gut in Mathe ist, denn Lücken können im Physikunterricht geschlossen werden. Wer sich noch unsicher fühlt im Umgang mit Formeln, Diagrammen und Kurven, kann seine Fähigkeiten erst einmal auf den aktuellen Stand bringen. Die Lehrkräfte helfen Euch, so lange Ihr Klärungsbedarf habt. Und wenn Ihr Euch im ersten Jahr einmal durchgekämpft habt, habt ihr anschließend keine Probleme mehr, denn im Grunde sind es nur wenige Bereiche der Mathematik, die man kennen muss. Lasst Euch also von der Mathematik nicht abschrecken, zumal im Physikunterricht bei weitem nicht nur gerechnet wird. Eine wichtige Rolle spielen Experimente, bei deren Planung und Auswertung logisch gedacht und argumentiert werden und bei deren Durchführung genau beobachtet werden muss. Solche Fähigkeiten werden auch im Abitur verlangt und sowohl bei der sonstigen Mitarbeit als auch in Klausuren honoriert. Lehrplan Physik SekII Physik Gutenberg-Gymnasium 2 von 5

3 Lehrplan Physik Sek II Gutenberg -Gymnasium Die im Folgenden aufgeführten Unterrichtsgegenstände und Themen gelten größtenteils für Grund- und Leistungskurs, die kursiv gedruckten werden jedoch nur im Leistungskurs verlangt. Ansonsten unterscheidet sich der Unterricht im Leistungskurs von dem im Grundkurs durch eine tiefer gehende sowie abstraktere Behandlung der Themen. Außerdem werden komplexere gedankliche und mathematische Modelle verwendet. Die in den Vorgaben für das Zentralabitur aufgeführten Themen werden auch im folgenden schuleigenen Lehrplan berücksichtigt. ( Einführungsphase (entspricht dem Jg. 11 des alten G9 und dem Jg. 10 des G8) G9: Jg.11 G8: Jg.10 Physik im Straßenverkehr - Kinematik und Dynamik des Massenpunk - tes Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung Wurfbewegungen, Bezugssystem Newton-Axiome: träge Masse, Trägheitssatz Kraft, Grundgleichung der Mechanik Impuls, Impulserhaltung Modell des Massenpunktes, G9: Jg.11 G8: Jg.10 Energie und Arbeit Lageenergie und Hubarbeit Bewegungsenergie und Beschleunigungsarbeit, Spannenergie und Spannarbeit Energieentwertung und Reibungsarbeit Energiebilanzierung bei Übertragung und Umwandlung - Erhaltung und Entwertung der Energie Bewegungen im Weltraum Kreisbewegung, Zentripetalkraft (Zentrifugalkraft, Corioliskraft) Gravitation Gravitationsgesetz, Gravitationsfeld, Kepler'sche Gesetze, unser Planetensystem, astronomische Weltbilder Lehrplan Physik SekII Physik Gutenberg-Gymnasium 3 von 5

4 Qualifikationsphase G9: Jg.12 G8: Jg.11 G9: Jg.12 G8: Jg.11 Elektronen in Stromkreisen und Bildröhren Elektrische und magnetische Felder elektrisches Feld, elektrische Ladung q, elektrische Feldstärke E, Feldkraft auf Ladungsträger, homogenes und zentralsymmetrisches Feld, Coulomb'sches Gesetz potentielle Energie im elektrischen Feld, Spannung U, Potential elektrische Feldkonstante ε 0, elektrische Kapazität C, Kondensatoren, Bauformen, Ein- und Ausschaltvorgänge, Reihen- und Parallelschaltung, Kapazitätsbestimmung (z.b. mit Entladekurven) Dielektrikum, Dielektrizitätszahl, elektrisches Feld als Energieträger, Energiedichte magnetisches Feld, Stromwaage, magnetische Feldgröße B, magnetische Feldkonstante µ 0, Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule, Bestimmung der Stärke des Erdmagnetfeldes mit einer selbst gebauten Tangentenbussole Ferromagnetismus Lorentzkraft, Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern (Erzeugung und Ablenkung eines Elektronenstrahls) Braunsche Röhre, e/m-bestimmung mit dem Fadenstrahlrohr, Massenspektroskop, Wien-Filter, Hall-Effekt, Millikan-Versuch, Teilchenbeschleuniger Elektrische Energie für Heim und Betrieb.- Funktionsweisen von Generator, Transformator und Motor Elektromagnetische Induktion, Induktionsgesetz, Veränderung von A und B, Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld, Erzeugung von Wechselspannung (Generator), Lenzsche Regel, Selbstinduktion, Induktivität, verzögerter Einschaltvorgang bei Parallelschaltung von Widerstand und Spule, Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen Magnetfeld als Träger von Energie, Energiedichte Transformator, Übertragung elektrischer Energie Wechselstromwiderstände, Reihen- und Parallelschaltung, elektrische (Schein-, Wirk- und Blind-)Leistung und Phasenverschiebung, Phasendiagramme, Effektiv- und Scheitelwerte von Stromstärke und Spannung, Frequenzfilter, Drossel bei Leuchtstofflampe Fernsehsender, Handys & Co. - drahtlose Nachrichtenübertragung durch elektromagnetische Schwingungen und Wellen (wird im nächsten Halbjahr fortgesetzt) elektromagnetischer Schwingkreis, Analogien zwischen elektromagnetischen und mechanischen Schwingungen Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen, Rückkopplung (Meißner-Schaltung) Untersuchung selbst gebauter Schwingkreise mit Hilfe des PCs (Analog- Digital-Wandlung durch Soundkarte, Musikbearbeitungsprogramm, gedämpfte und ungedämpfte Schwingungen und Resonanz) Lehrplan Physik SekII Physik Gutenberg-Gymnasium 4 von 5

5 G9: Jg.13 G8: Jg.12 Fortsetzung von Fernsehsender, Handys & Co elektromagnetische Wellen Erzeugung und Ausbreitung, Hertzscher Dipol, Das Lichtradio drahtlose Übertragung von Musik und Sprache mit einem selbst gebauten Gerät Interferenz bei Radio- und Mikrowellen sowie bei Wasserwellen (Wellenwanne), stehende Wellen Eine neue Vorstellung vom Licht - Musterbildung und Farberscheinungen Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, Reflexion und Brechung(sgesetz), Prismenspektrum, Welleneigenschaften von Licht: Polarisationsfilter für die Fotografie, Beugung und Interferenz bei Licht (Spalt, Doppelspalt und Gitter), Huygens- Prinzip, Messung der Wellenlänge von Licht Farben von Seifenblasen Interferenzen an dünnen Schichten Teilcheneigenschaften von Licht (Quanteneffekte): Photoeffekt, lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese, h-bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode Atomphysik Linienspektren in Absorption und Emission und Energiequantelung des Atoms, Atommodelle, Beobachtung von Spektrallinien am Gitter, Franck-Hertz-Versuch Ionisierende Strahlung und ihre Energieverteilung, Röntgenspektroskopie und Röntgenbeugung (Bragg) Welleneigenschaften von Teilchen: De Broglie-Theorie des Elektrons, Elektronenbeugung an polykristalliner Materie (Bragg) Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik Doppelspaltversuch mit Elektronen und Licht reduzierter Intensität (nur LK) Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation (nur LK) G9: Jg.13 G8: Jg.12 Kernphysik Strahlungsarten, Untersuchungsmethoden radioaktiver Zerfall, Halbwertszeitmessung, Zerfallsgesetz, Zerfallsprozesse, Spektroskopie (Röntgen-, γ- und ß-Strahlung) Kernspaltung und Kernfusion (Kernbausteine, Bindungsenergie, Kettenreaktion) Reichweite von Gammastrahlung, Absorption von Gammastrahlung Relativitätstheorie (nur Leistungskurs) Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und deren Konsequenzen (Michelson- Experiment) Zeitdilatation, relativistische Massenzunahme relativistischer Impuls, Äquivalenz von Masse und Energie Thermodynamik (nur Leistungskurs) 1. Hauptsatz der Thermodynamik, Entropie und 2. Hauptsatz der Thermodynamik, dissipative Strukturen, Irreversibilität und Zeitpfeil Wärmekraftmaschinen (Energie und Entropiestrom, Wirkungsgrad, Kraft Wärme Kopplung, Heißluftmotor und Wärmepumpe) Lehrplan Physik SekII Physik Gutenberg-Gymnasium 5 von 5