Konkretisiertes Unterrichtsvorhaben. Einführungsphase (1. / 2. Semester)

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1 Konkretisiertes Unterrichtsvorhaben Einführungsphase (1. / 2. Semester) Inhaltsfelder: Mechanik Basiskonzepte: Wechselwirkung: Newton sche Gesetze, Gravitation Struktur der Materie: Masse Inhalt Grundlegendes Verständnis des Kraftbegriffs, 1. und 3. Newton sches Kraftgesetz (10 Ustd.) erkennen Kräfte anhand ihrer Wirkung (UF3) ermitteln den Ortsfaktor als Proportionalitätsfaktor zwischen Masse und Gewichtskraft (E2, E4, E5) verwenden das Trägheitsprinzip, um physikalische Vorgänge zu erklären (UF1,E1, E4, E5, E7) unterscheiden begründet zwischen Actio-Reactio und dem Kräftegleichgewicht (K1-4, B2) beherrschen die Vektordarstellung, Vektoraddition und Vektorzerlegung von Kräften (UF3, E7) Umgang mit Kraftmessern Skateboard Schlag auf Brett Schiefe Ebene Einführung in die Erstellung eines naturwissenschaftlichen Versuchsprotokolls anhand von Freihandexperimenten Umgang mit der physikalischen Fachsprache und Begriffsbildung Gravitation als Beispiel für die Wechselwirkung zwischen zwei Körpern

2 Beschreibung und Analyse von linearen Bewegungen (40 Ustd.) unterscheiden gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen und erklären zugrundeliegende Ursachen (UF1), vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichgewichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1), planen Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (u.a. zur Analyse von Bewegungen), führen sie selbstständig durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1), stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (u. a. t-s- und t-v- Diagramme, Vektordiagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3), Digitale Videoanalyse von Bewegungen im Sport und Verkehr (Fahrradfahrt o. anderes Fahrzeug, Sprint, Flug von Bällen) Schülerexperimente (Rollbahn) zur gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung (schiefe Ebene) Freier Fall im Schülerexperiment Einführung in die Verwendung von digitaler Videoanalyse (Auswertung von Videosequenzen, Darstellung der Messdaten in Tabellen und Diagrammen mithilfe einer Software zur Tabellenkalkulation) Planung von Experimenten durch die Schüler (Auswertung mithilfe der Videoanalyse) Unterscheidung von gleichförmigen und (beliebig) beschleunigten Bewegungen (insb. auch die gleichmäßig beschleunigte Bewegung) Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleichförmigen Bewegung (optional Treffpunktaufgaben) Untersuchung gleichmäßig beschleunigter Bewegungen im Labor Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleichmäßig beschleunigten Bewegung Erstellung von t-s- und t-v-

3 erschließen und überprüfen mit Messdaten und Diagrammen funktionale Beziehungen zwischen mechanischen Größen (E5), bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (u.a. Tabel-lenkalkulation, GTR) (E6), Wurfbewegungen: senkrechter Wurf, waagerechter Wurf Diagrammen (auch mithilfe digitaler Hilfsmittel), die Interpretation und Auswertung derartiger Diagramme sollte intensiv geübt werden (optional gleichmäßig verzögerte Bewegung) Schlussfolgerungen bezüglich des Einflusses der Körpermasse bei Fallvorgängen, auch die Argumentation von Galilei ist besonders gut geeignet, um Argumentationsmuster in Physik explizit zu besprechen Wesentlich: Erarbeitung des Superpositionsprinzips (Komponentenzerlegung und Addition vektorieller Größen) Herleitung der Gleichung für die Bahnkurve

4 2. Newton sches Gesetz, Kräfte und Bewegung (10 Ustd.) leiten experimentell das Newton sche Grundgesetz her (E2, E4, E5) berechnen mithilfe des Newton schen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6), entscheiden begründet, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen sind (E1, E4), reflektieren Regeln des Experimentierens in der Planung und Auswertung von Versuchen (u. a. Zielorientierung, Sicherheit, Variablenkontrolle, Kontrolle von Störungen und Fehlerquellen) (E2, E4), geben Kriterien (u.a. Objektivität, Reproduzierbarkeit, Widerspruchsfreiheit, Überprüfbarkeit) an, um die Zuverlässigkeit von Luftkissenfahrbahn / Rollenfahrbahn mit (digitaler) Messwerterfassung: Messung der Beschleunigung eines Körpers in Abhängigkeit von der beschleunigenden Kraft Kennzeichen von Laborexperimenten im Vergleich zu natürlichen Vorgängen besprechen, Ausschalten bzw. Kontrolle bzw. Vernachlässigen von Störungen Erarbeitung des Newton schen Bewegungsgesetzes Dynamische Definition der Kraft als Erweiterung des statischen Kraftbegriffs Berechnung von Kräften und Beschleunigungen, optional Einfluss von Reibungskräften

5 Messergebnissen und physikalischen Aussagen zu beurteilen, und nutzen diese bei der Bewertung von eigenen und fremden Untersuchungen (B1), 60 Summe

6 Q-Phase-GK (3. Semester) Inhaltsfelder: Mechanik, Elektrik Basiskonzepte: Wechselwirkung: Impuls Energie: Energieformen, Energiebilanzen, Arbeit Struktur der Materie: Masse Inhalt Energie und Leistung, Energieerhaltungssatz; Impuls, Impulserhaltungssatz und Rückstoß (34 Ustd.) erläutern die Größen Position, Strecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie, Impuls und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4), analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, E2, E5, UF1), verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu Fadenpendel (Schaukel) Federpendel Wurfbewegungen Luftkissenfahrbahn mit digitaler Messwerterfassung: Messreihen zu elastischen und unelastischen Stößen Deduktive Herleitung der Formeln für die mechanischen Energiearten aus den Newton schen Gesetzen und der Definition der Arbeit Energieerhaltung an Beispielen (Pendel, Achterbahn, Halfpipe) erarbeiten und für Berechnungen nutzen Energetische Analysen in verschiedenen Sportarten (z.b. Hochsprung, Turmspringen, Turnen, Stabhochsprung, Bobfahren, Skisprung) Begriff des Impulses und Impuls als Erhaltungsgröße Elastischer und inelastischer Stoß auch an anschaulichen

7 erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6), beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wechselwirkungen und Impulsänderungen (UF1), begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnisse oder andere objektive Daten heran (K4), bewerten begründet die Darstellung bekannter mechanischer und anderer physikalischer Phänomene in verschiedenen Medien (Printmedien, Filme, Internet) bezüglich ihrer Relevanz und Richtigkeit (K2, K4), Skateboards und Medizinball Beispielen aus dem Sport (z.b. Impulserhaltung bei Ballsportarten, Kopfball beim Fußball, Kampfsport) Hinweis: Erweiterung des Impulsbegriffs am Ende des Kontextes Auf dem Weg in den Weltraum Impuls und Rückstoß verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegung im luftleeren Raum

8 Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6), erläutern unterschiedliche Positionen zum Sinn aktueller Forschungsprogramme (z.b. Raumfahrt, Mobilität) und beziehen Stellung dazu (B2, B3). Kreisbewegungen (12 Ustd.) kennen grundlegende Größen zur Beschreibung einer Kreisbewegung (UF1, UF2, E1) analysieren und berechnen auftretende Kräfte bei Kreisbewegungen (E2, E4, E5, E6) Gewicht am Faden Punkt auf Scheibe Messung der Zentralkraft An dieser Stelle sollen das experimentell-erkundende Verfahren und das deduktive Verfahren zur Erkenntnisgewinnung am Beispiel der Herleitung der Gleichung für die Zentripetalkraft als zwei wesentliche Erkenntnismethoden der Physik bearbeitet werden. Beschreibung von gleichförmigen Kreisbewegungen, Winkelgeschwindigkeit, Periode, Bahngeschwindigkeit, Frequenz Experimentell-erkundende Erarbeitung der Formeln für Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung: o Herausstellen der Notwendigkeit der Konstanthaltung der restlichen Größen bei der experimentellen Bestimmung einer von mehreren anderen Größen abhängigen physikalischen Größe

9 (hier bei der Bestimmung der Zentripetalkraft in Abhängigkeit von der Masse des rotierenden Körpers) Ergänzend: Deduktion der Formel für die Zentripetalbeschleunigung Grundlagen der Elektrostatik (8 Ustd.) 54 Summe verwenden den Ladungsbegriff zur Erklärung grundlegender elektrostatischer Erscheinungen (UF1, UF2, E6, K1, K3, K4) kennen grundlegende Modelle elektrischer Felder (UF3, UF4) erläutern mit Hilfe der Kraft das Verhalten geladener Teilchen im homogenen elektrischen Feld (UF3, UF4, E2, E4, E5, K1, K3) Experimente zur Reibungselektrizität - Elektroskop - Faraday scher Käfig - Influenzmaschine Glühelektrischer Effekt Umgang mit der physikalischen Fachsprache, Begriffsbildung und Modellbildung Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Körpern Das elektrische Feld als erstes Beispiel für das zentrale Konzept des Feldbegriffes Begriff des elektrischen Feldes in Analogie zum Gravitationsfeld besprechen

10 Q-Phase-GK (4. Semester) Inhaltsfelder: Elektrik Basiskonzepte: Wechselwirkung: Elektromagnetische Induktion, Transformator, Lenz sche Regel Energie: Energieerhaltung Struktur der Materie: Elektronenladung, Elektronenmasse Inhalt Elektrische Kraft, el. Feldstärke Grundgleichung der Elektrostatik (8 Ustd.) leiten den Zusammenhang zwischen Kraft und Ladung experimentell her (E2, E4, E5) können quantitativ die el. Feldstärke bestimmen (UF1, UF2, K1) Plattenkondensator Kraftsensor (Cassy) Experimentelle Herleitung der elektrischen Feldstärke am Kondensator. Einführung des Begriffs der Flächenladungsdichte. Alternativ: Definition der Spannung; Zusammenhang zwischen Spannung und el. Feldstärke. Zusammenhang zwischen Feldstärke im Plattenkondensator, Spannung und Abstand der Kondensatorplatten vorgeben und durch Auseinanderziehen der geladenen Platten demonstrieren.

11 Zusammenhang zwischen el. Feldstärke und felderzeugender Ladung. ɛ0 als Beispiel einer Naturkonstanten. Elementarladung (5 Ustd.) erläutern anhand einer vereinfachten Version des Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Ergebnisse zur Bestimmung der Elementarladung (UF1, E5), untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Computersimulationen zum Verhalten von Quantenobjekten (E6) schwebender Wattebausch Millikanversuch Schwebefeldmethode (keine Stokes sche Reibung) Auch als Simulation möglich

12 beschreiben die Bewegungen von Elektronen in der Braun schen Röhre (UF1, UF2, UF4, E2, E5) Grundlagen des Magnetismus kennen magnetische Grunderscheinungen(UF1, UF2) kennen verschiedene Formen magnetischer Felder (UF1) Elektronenstrahlablenkröhre Oszilloskop (Messwerterfassungssystem) Unterschiedliche Magneten Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter leiten die Definition für die magnetische Kraft her (UF2, E5) erkennen und interpretieren der Kraft in unterschiedlichen Experimentieranordnungen (UF3, E3) Oerstedt scher Versuch Elektromagneten Leiterschaukel im Magnet Stromwaage Drei-Finger-Regel Analogie zur elektrischen Feldstärke, Kraftwirkung auf Probeleiter Elektronen im magnetischen Feld können beschreiben, wie sich Elektronen in magnetischen Feldern bewegen (UF1, K1) modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr mathematisch, variieren Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerungen her, die sich experimentell überprüfen lassen und Hall-Effekt Fadenstrahlröhre Geschwindigkeitsfilter

13 ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5) Induktionsgesetz können das Grundphänomen der Induktion erkennen (UF1, E2, E6) können das Phänomen in den unterschiedlichen Versuchen quantitativ erfassen und auswerten (UF3, UF4, E2, E4, E5, B1) Aufbau von Transformatoren zur Spannungswandlung 54 Summe kennen die Lenz sche Regel und können diese erklären (UF1, UF4, E5) können den Aufbau und die Funktionsweise von Transformatoren erklären(uf1, E4, E5, E6, K3, B1, B2, B4) Relativbewegung Magnet Leiterschleife Leiterschaukel im Magnetfeld Bewegung eines Leiters im Magnetfeld (Neva) Rotation einer kleinen Spule im Magnetfeld (Generator) Thomson scher Ringversuch U-Kern mit unterschiedlichen Spulen Änderung der Relativgeschwindigkeit Änderung der Flussdichte Wirbelströme Vor- und Nachteile der Übertragung von elektrischer Energie über große Entfernungen beurteilen Modellexperiment zu Freileitungen

14 Q-Phase-GK (5. Semester) Inhaltsfelder: Quantenobjekte, Strahlung und Materie Basiskonzepte: Wechselwirkung: Huygens sches Prinzip, De Broglie Wellenlänge, Streuung von Elektronen an Festkörpern Energie: Energie bewegter Elektronen, Quantelung der Energie von Licht, Austrittsarbeit Struktur der Materie: Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Inhalt Interferenzphänomene können Interferenzbilder mechanischer Wellen mit Hilfe von Welleneigenschaften erklären (E5, E6) deuten und berechnen das Interferenzbild von Doppelspalt und Gitter (UF4, E4, E5) Photoeffekt können anhand eines Experiments zum äußeren Photoeffekt den Quantencharakter von Licht nachweisen und in diesem Zusammenhang die Energie, Wellenlänge, Frequenz der Photonen, sowie die Austrittsarbeit der Elektronen bestimmen (E6, E7, K4) Torsionswellenmaschine Lange Feder Wellenwanne Doppelspalt, Gitter, Laser Zinkplatte und Elektroskop Bestimmung des Plank schen Wirkungsquantums (Gegenfeld) Huygens sches Prinzip c f Pohlfolien Spektralanalyse verschiedener Spektrallampen Röntgenstrahlung kennen die Funktionsweise Röntgenapparatur (Geiger-Müller-Zählrohr)

15 einer Röntgenröhre (UF1) können den Glanzwinkel bei der Beugung am Kristall mit Hilfe der Bragg-Bedingung bestimmen und eine Verbindung zur Wellenlänge der Röntgenstrahlen herstellen (UF4, E6) nehmen ein Röntgenspektrum auf und erkennen einen Zusammenhang zwischen minimaler Wellenlänge und Energie der Elektronen (E4, E5) Atommodelle deuten und berechnen mit Hilfe des Bohr schen Atommodells die Spektrallinien der Balmer- Lampe (UF4, E6) verknüpfen Absorptionsvorgänge mit der Vorstellung von Energiestufen im Atom (E6, E7) Elektron als Quantenobjekt erkennen Welleneigenschaften der Elektronen im Experiment und bestimmen die Wellenlänge (De Broglie) (E2) LiF Kristall Balmer-Lampe und Gitter Flammenfärbung Frank-Hertz-Versuch (Neon) Elektronenbeugungsröhre Internet Frauenhoferlinien Umgang mit Spektraltafeln

16 untersuchen das Verhalten von Quantenobjekten mit Simulationsexperimenten und deuten die Experimente mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsvorstellung (E6, K1, K4)

17 Q-Phase-GK (6. Semester) Inhaltsfelder: Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik, Relativität von Raum und Zeit Basiskonzepte: Wechselwirkung: Kernkräfte, Kettenreaktion Energie: Bindungsenergie, Dosimetrie, Äquivalenz von Masse und Energie Struktur der Materie: Ruhemasse, dynamische Masse, Strahlungsarten, Massendefekt, Zerfallsprozesse, Kernmodelle Inhalt Kernphysik kennen die unterschiedlichen Strahlungsarten und können diese unterscheiden (UF1) können Aufbau und Funktionsweise von Nachweisgeräten erläutern (UF3, UF4) können Halbwertszeiten bestimmen (E5, E6) erläutern den Begriff der Radioaktivität und beschreiben zugehörige Kernumwandlungsprozesse (UF1, E6) erläutern mit Hilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine (UF3) bewerten die Bedeutung der Beziehung E=mc 2 für die Kernspaltung und die Kernfusion (B1, B2, B3) Internet Nuklidkarte

18 Relativität von Raum und Zeit erläutern die Zeitdilatation und die Längenkontraktion qualitativ (UF1) können die Funktionsweise eines Zyklotrons erläutern (UF4, B1, B2) Michelson-Morley-Experiment Lichtuhr Myonenzerfall in Erdatmosphäre

19 Q-Phase-LK (3. Semester) Inhaltsfelder: Mechanik, Elektrik Basiskonzepte: Wechselwirkung: Impuls Energie: Energieformen, Energiebilanzen, Arbeit Struktur der Materie: Masse Inhalt Energie und Leistung, Energieerhaltungssatz; Impuls, Impulserhaltungssatz und Rückstoß (34 Ustd.) erläutern die Größen Position, Strecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie, Impuls und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4), analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, E2, E5, UF1), verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu Fadenpendel (Schaukel) Federpendel Wurfbewegungen Luftkissenfahrbahn mit digitaler Messwerterfassung: Messreihen zu elastischen und unelastischen Stößen Deduktive Herleitung der Formeln für die mechanischen Energiearten aus den Newton schen Gesetzen und der Definition der Arbeit Energieerhaltung an Beispielen (Pendel, Achterbahn, Halfpipe) erarbeiten und für Berechnungen nutzen Energetische Analysen in verschiedenen Sportarten (z.b. Hochsprung, Turmspringen, Turnen, Stabhochsprung, Bobfahren, Skisprung) Begriff des Impulses und Impuls als Erhaltungsgröße Elastischer und inelastischer Stoß auch an anschaulichen

20 erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6), beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wechselwirkungen und Impulsänderungen (UF1), begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnisse oder andere objektive Daten heran (K4), bewerten begründet die Darstellung bekannter mechanischer und anderer physikalischer Phänomene in verschiedenen Medien (Printmedien, Filme, Internet) bezüglich ihrer Relevanz und Richtigkeit (K2, K4), Skateboards und Medizinball Beispielen aus dem Sport (z.b. Impulserhaltung bei Ballsportarten, Kopfball beim Fußball, Kampfsport) Hinweis: Erweiterung des Impulsbegriffs am Ende des Kontextes Auf dem Weg in den Weltraum Impuls und Rückstoß verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegung im luftleeren Raum

21 Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6), erläutern unterschiedliche Positionen zum Sinn aktueller Forschungsprogramme (z.b. Raumfahrt, Mobilität) und beziehen Stellung dazu (B2, B3). Kreisbewegungen (12 Ustd.) kennen grundlegende Größen zur Beschreibung einer Kreisbewegung (UF1, UF2, E1) analysieren und berechnen auftretende Kräfte bei Kreisbewegungen (E2, E4, E5, E6) Gewicht am Faden Punkt auf Scheibe Messung der Zentralkraft An dieser Stelle sollen das experimentell-erkundende Verfahren und das deduktive Verfahren zur Erkenntnisgewinnung am Beispiel der Herleitung der Gleichung für die Zentripetalkraft als zwei wesentliche Erkenntnismethoden der Physik bearbeitet werden. Beschreibung von gleichförmigen Kreisbewegungen, Winkelgeschwindigkeit, Periode, Bahngeschwindigkeit, Frequenz Experimentell-erkundende Erarbeitung der Formeln für Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung: o Herausstellen der Notwendigkeit der Konstanthaltung der restlichen Größen bei der experimentellen Bestimmung einer von mehreren anderen Größen abhängigen physikalischen Größe

22 (hier bei der Bestimmung der Zentripetalkraft in Abhängigkeit von der Masse des rotierenden Körpers) Ergänzend: Deduktion der Formel für die Zentripetalbeschleunigung Mechanische Schwingungen und Wellen () deuten eine mechanische Schwingung als periodischen Vorgang (UF4, E2, E6) deuten die harmonische Schwingung als Projektion der Kreisbewegung (UF4, E2, E6) erläutern das Zustandekommen einer mechanischen Transversalwelle(UF1, UF2) beschreiben qualitativ die lineare Ausbreitung harmonischer Wellen als räumliche und zeitlich periodische Vorgänge (UF1, UF2) Federpendel Videoanalyse Torsionswellenmaschine Umgang mit sinusförmigen Bewegungsgesetzen. Lineares Kraftgesetz. Bestimmung der Schwingungsdauer der Federschwingung.

23 Grundlagen der Elektrostatik verwenden den (8 Ustd.) Ladungsbegriff zur Erklärung grundlegender elektrostatischer Erscheinungen (UF1, UF2, E6, K1, K3, K4) kennen grundlegende Modelle elektrischer Felder (UF3, UF4) erläutern mit Hilfe der Kraft das Verhalten geladener Teilchen im homogenen elektrischen Feld (UF3, UF4, E2, E4, E5, K1, K3) 54 Summe Experimente zur Reibungselektrizität - Elektroskop - Faraday scher Käfig - Influenzmaschine Glühelektrischer Effekt Umgang mit der physikalischen Fachsprache, Begriffsbildung und Modellbildung Wechselwirkung zwischen zwei geladenen Körpern Das elektrische Feld als erstes Beispiel für das zentrale Konzept des Feldbegriffes Begriff des elektrischen Feldes in Analogie zum Gravitationsfeld besprechen

24 Q-Phase-LK (4. Semester) Inhaltsfelder: Elektrik Basiskonzepte: Wechselwirkung: Elektromagnetische Induktion, Transformator, Lenz sche Regel Energie: Energieerhaltung Struktur der Materie: Elektronenladung, Elektronenmasse Inhalt Elektrische Kraft, el. Feldstärke Grundgleichung der Elektrostatik (8 Ustd.) leiten den Zusammenhang zwischen Kraft und Ladung experimentell her (E2, E4, E5) können quantitativ die el. Feldstärke bestimmen (UF1, UF2, K1) können elektrische Felder darstellen und deuten (UF1, UF2, UF3, E6) Plattenkondensator Kraftsensor (Cassy) Experimentelle Herleitung der elektrischen Feldstärke am Kondensator. Einführung des Begriffs der Flächenladungsdichte. Alternativ: Definition der Spannung; Zusammenhang zwischen Spannung und el. Feldstärke. Zusammenhang zwischen Feldstärke im Plattenkondensator, Spannung und Abstand der Kondensatorplatten vorgeben und durch Auseinanderziehen der geladenen Platten demonstrieren. Zusammenhang zwischen el.

25 Feldstärke und felderzeugender Ladung. Kondensator () Elementarladung, Elektronen im elektrischen Feld (5 Ustd.) können den Kondensator als Ladungsspeicher interpretieren (UF1, UF2) kennen den Begriff der Kapazität (UF1) können die Wirkung eines Dielektrikums erklären (UF1, UF2) erläutern anhand einer vereinfachten Version des Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Ergebnisse zur Bestimmung der Elementarladung (UF1, E5), untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Computersimulationen zum Verhalten von Quantenobjekten (E6). beschreiben die Bewegungen von Elektronen in der Braun schen Röhre (UF1, UF2, UF4, E2, E5) Auf- und Entladevorgang eines Kondensators schwebender Wattebausch Millikanversuch Schwebefeldmethode (keine Stokes sche Reibung) Auch als Simulation möglich Elektronenstrahlablenkröhre Oszilloskop (Messwerterfassungssystem) ɛ0 als Beispiel einer Naturkonstanten und ɛr als Materialkonstante. Physikalische Anwendung der e- Funktion. Experimentelle Definition der Kapazität möglich.

26 Grundlagen des Magnetismus kennen magnetische Grunderscheinungen (UF1, UF2) kennen verschiedene Formen magnetischer Felder (UF1) Unterschiedliche Magneten Kraftwirkung auf stromdurchflossene Leiter leiten die Definition für die magnetische Kraft her (UF2, E5) erkennen und interpretieren der Kraft in unterschiedlichen Experimentieranordnungen (UF3, E3) Oerstedt scher Versuch Elektromagneten Leiterschaukel im Magnet Stromwaage Drei-Finger-Regel Analogie zur elektrischen Feldstärke, Kraftwirkung auf Probeleiter Elektronen im magnetischen Feld können beschreiben, wie sich Elektronen in magnetischen Feldern bewegen (UF1, K1) modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr mathematisch, variieren Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerungen her, die sich experimentell überprüfen lassen und ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5) Hall-Effekt Fadenstrahlröhre Geschwindigkeitsfilter Weitere Anordnungen elektrischer und magnetischer Felder Induktionsgesetz können das Grundphänomen Relativbewegung Magnet Änderung der

27 Aufbau von Transformatoren zur Spannungswandlung Elektromagnetische Schwingungen und Energieumwandlungsprozesse im RLC-Kreis () der Induktion erkennen (UF1, E2, E6) können das Phänomen in den unterschiedlichen Versuchen quantitativ erfassen und auswerten (UF3, UF4, E2, E4, E5, B1) kennen die Lenz sche Regel und können diese erklären (UF1, UF4, E5) können den Aufbau und die Funktionsweise von Transformatoren erklären (UF1, E4, E5, E6, K3, B1, B2, B4) erläutern die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen (UF1, E6) bestimmen (rechnerisch) die Energie des elektrischen Feldes (E2, E3) beschreiben den Schwingvorgang im RLC- Kreis qualitativ als Energieumwandlungsprozess (UF1, UF2, UF4, E6) Leiterschleife Leiterschaukel im Magnetfeld Bewegung eines Leiters im Magnetfeld (Neva) Rotation einer kleinen Spule im Magnetfeld (Generator) Thomson scher Ringversuch U-Kern mit unterschiedlichen Spulen RLC-Serienschwingkreis Ggf. mit registrierenden Messverfahren und computergestützter Auswertung Einfluss von C und L auf die Eigenfrequenz des Schwingkreises Einfluss von R auf die Dämpfung Relativgeschwindigkeit Änderung der Flussdichte Wirbelströme Energie des magnetischen Feldes Vor- und Nachteile der Übertragung von elektrischer Energie über große Entfernungen beurteilen Modellexperiment zu Freileitungen Mathematische und physikalische Grundlagen mechanischer Schwingungen Vergleich des RLC-Kreises mit dem harmonischen Oszillator unter energetischen Gesichtspunkten

28 benennen wesentliche Ursachen für die Dämpfung (UF1) erstellen und werten aussagekräftige Diagramme aus (UF3, E2, E4, E5, K1) beschreiben den Hertzschen Dipol als (offenen) Schwingkreis (UF1, UF4) Darstellung des RLC-Kreises als elementares Bauteil in der Nachrichtentechnik Sender / Empfänger: Resonanz zwischen zwei RLC-Kreisen Benutzen mathematische Werkzeuge zur Darstellung und Auswertung von Messwerten Einfache mechanische Resonanzversuche Entstehung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen () erläutern qualitativ die Entstehung eines elektrischen bzw. magnetischen Wirbelfeldes bei B- bzw. E-Feldänderung und die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle (UF1, UF2, K1) erläutern anhand schematischer Darstellungen Grundzüge der Nutzung elektromagnetischer Trägerwellen zur Übertragung von Visuelle Medien zur Veranschaulichung - der zeitlichen Änderung der E- und B-Felder beim Hertzschen Dipol - der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle entsprechende Computersimulationen Quantitativ wird nur die ungedämpfte Schwingung beschreiben (inkl. Der Herleitung der Thomsonformel)

29 54 Summe Informationen (UF1, UF2, K1, B4)

30 Q-Phase-LK (5. Semester) Inhaltsfelder: Quantenobjekte, Strahlung und Materie Basiskonzepte: Wechselwirkung: Huygens sches Prinzip, De Broglie Wellenlänge, Streuung von Elektronen an Festkörpern Energie: Energie bewegter Elektronen, Quantelung der Energie von Licht, Austrittsarbeit Struktur der Materie: Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Inhalt Interferenzphänomene () Wellenlängenbestimmung () beschreiben die Phänomene Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz im Wellenmodell und begründen sie qualitativ mithilfe des Huygens schen Prinzips (UF2, E5, E6) erläutern konstruktive und destruktive Interferenz sowie die entsprechenden Bedingungen mithilfe geeigneter Darstellungen (UF1, UF2, K1, K3) können die Beugungsbilder am Spalt, Doppelspalt und Gitter mit Hilfe von Welleneigenschaften erklären (UF4, E4, E5) bestimmen im Experiment die Wellenlänge für sichtbares Licht und Mikrowellen (E1, E2, E4, E5) Torsionswellenmaschine Lange Feder Wellenwanne Mehrfachspalt, Doppelspalt, Gitter, Laser Huygens sches Prinzip c f Pohlfolien Spektralanalyse verschiedener Spektrallampen

31 Photoeffekt () können anhand eines Experiments zum äußeren Photoeffekt den Quantencharakter von Licht nachweisen und in diesem Zusammenhang die Energie, Wellenlänge, Frequenz der Photonen, sowie die Austrittsarbeit der Elektronen bestimmen (E6, E7, K4) Zinkplatte und Elektroskop Bestimmung des Plank schen Wirkungsquantums (Gegenfeld) Röntgenstrahlung () kennen die Funktionsweise einer Röntgenröhre (UF1) können den Glanzwinkel bei der Beugung am Kristall mit Hilfe der Bragg-Bedingung bestimmen und eine Verbindung zur Wellenlänge der Röntgenstrahlen herstellen (UF4, E6) nehmen ein Röntgenspektrum auf und erkennen einen Zusammenhang zwischen minimaler Wellenlänge und Energie der Elektronen (E4, E5) Atommodelle deuten und berechnen mit Hilfe des Bohr schen Röntgenapparatur LiF Kristall Balmer-Lampe und Gitter (Geiger-Müller-Zählrohr) Frauenhoferlinien Umgang mit Spektraltafeln

32 Atommodells die Spektrallinien der Balmer- Lampe (UF4, E6) verknüpfen Absorptionsvorgänge mit der Vorstellung von Energiestufen im Atom (E6, E7) Elektron als Quantenobjekt erkennen Welleneigenschaften der Elektronen im Experiment und bestimmen die Wellenlänge (De Broglie) (E2) untersuchen das Verhalten von Quantenobjekten mit Simulationsexperimenten und deuten die Experimente mit Hilfe der Wahrscheinlichkeits- vorstellung (E6, K1, K4) beschreiben die Quantenobjekte mit Hilfe der Wellenfunktion und deuten deren Quadrat als Aufenthaltswahrscheinlichkeit (UF1, UF4) erläutern den Begriff der Komplementarität und nennen Beispiele für die Heisenberg sche Flammenfärbung Frank-Hertz-Versuch (Neon) Elektronenbeugungsröhre Internet Internet

33 Unschärferelation (UF1, UF2) ermitteln die Wellenlänge und Energiewerte von Elektronen im linearen Potentialtopf (UF2, UF4)

34 Q-Phase (6. Semester) Inhaltsfelder: Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik, Relativitätstheorie Basiskonzepte: Wechselwirkung: Kernkräfte, Kettenreaktion, Inertialsysteme Energie: Bindungsenergie, Dosimetrie, Äquivalenz von Masse und Energie Struktur der Materie: Ruhemasse, dynamische Masse, Strahlungsarten, Massendefekt, Zerfallsprozesse, Kernmodelle Inhalt Relativität von Raum und Zeit erläutern die Zeitdilatation und die Längenkontraktion qualitativ (UF1) können die Funktionsweise eines Zyklotrons erläutern (UF4, B1, B2) Relativitätstheorie können die Energie-Masse Beziehung erläutern (UF1) erläutern die relativistische Massenzunahme (UF1) begründen, dass die Lichtgeschwindigkeit die Obergrenze für Geschwindigkeiten ist und Auswirkungen auf die Geschwindigkeitsaddition hat (UF1, UF2, B4) Kernphysik kennen die unterschiedlichen Strahlungsarten und können diese unterscheiden (UF1) können Aufbau und Funktionsweise von Michelson-Morley-Experiment Lichtuhr Myonenzerfall in Erdatmosphäre Simulationsprogramme Internet

35 Nachweisgeräten erläutern (UF3, UF4) können Halbwertszeiten bestimmen (E5, E6) erläutern den Begriff der Radioaktivität und beschreiben zugehörige Kernumwandlungsprozesse (UF1, E6) erläutern mit Hilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine (UF3) bewerten die Bedeutung der Beziehung E=mc 2 für die Kernspaltung und die Kernfusion (B1, B2, B3) Nuklidkarte

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