Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrermaterial Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan... 5

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Inhaltsverzeichnis 1 Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrermaterial Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht Gymnasium Klassen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung Erhaltung der Energie Anwendung der Kinematik und Dynamik Praktikum Kondensator und Spule Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern Relativität von Zeit und Raum Wahlthemen Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs Bildquellenverzeichnis Corel Photos Inc.: 17, 24/1a c; DB AG/Reiche: 34/1; Meyer, L., Potsdam: 57, 59; Mountain High Maps 52/1, 56; PhotoDisc, Inc.: 18/1, 34/2.

2 2 Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrermaterial 1 Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrermaterial Die folgenden Empfehlungen und Materialien für den Physikunterricht der Klassen 11 sollen dem Lehrer Anregungen für seinen Unterricht geben und ihm eine rationelle Unterrichtsvorbereitung und -durchführung ermöglichen. Dabei wird keine Vollständigkeit angestrebt, sondern es werden Anregungen zu Schwerpunkten des Unterrichts gegeben. Die Empfehlungen und Materialien sind abgestimmt mit dem Lehrbuch Physik, Sachsen 11 Grundkurs, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2008 (ISBN ) Als Nachschlagewerke für die gesamte Sekundarstufe II sind zu empfehlen: Basiswissen Schule Physik Abitur (mit DVD) Dudenverlag Mannheim Leipzig Wien Zürich DUDEN PAETEC Schulbuchverlag Berlin Frankfurt a. M. ISBN Formelsammlung bis zum Abitur: Formeln, Tabellen, Daten (mit CD ROM) DUDEN PAETEC Schulbuchverlag Berlin Frankfurt a. M. ISBN Darüber hinaus sind folgende Lehrermaterialien für die Sekundarstufe II zu empfehlen: Experimentieranleitungen Physik Sekundarstufe II DUDEN PAETEC Schulbuchverlag Berlin Frankfurt a. M. Printversion, ISBN CD-ROM, ISBN Über das gesamte Angebot des DUDEN PAETEC Schulbuchverlags können Sie sich im Internet unter folgender Adresse informieren: Nachschlagewerke für die Schüler sind zu finden unter: Das vorliegende Material enthält: eine Übersicht über den Physikunterricht der Klassen 6 12 einen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan, konkrete Unterrichtsmaterialien (Tafelbilder, Kopiervorlagen, Arbeitsblätter, Experimente, Projekte) und Empfehlungen für die Unterrichtsgestaltung die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben des Lehrbuchs Das gesamte Material ist so gestaltet, dass es der Lehrer in Abhängigkeit von seinen Erfahrungen und den spezifischen Bedingungen ergänzen, präzisieren oder umordnen kann. Für Anregungen, Vorschläge für konkrete Unterrichtsmaterialien, Kritiken und Hinweise ist der DUDEN PAETEC Schulbuchverlag immer dankbar. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag Redaktion Physik Bouchéstraße 12, Haus Berlin physik@duden-paetec.de

3 Übersicht über den Physikunterricht der Klassen Übersicht über Lernbereiche im Physikunterricht Gymnasium Klassen 6 12 Klasse 6 (2 Std.) Klasse 7 (2 Std.) Klasse 8 (2 Std.) Klasse 9 (2 Std.) Klasse 10 (2 Std.) Licht und seine Eigenschaften (17 Std.) Ausbreitung des Lichts Reflexion des Lichts Brechung des Lichts Bildentstehung an Sammellinsen und optische Geräte Kräfte (22 Std.) Mechanische Kräfte Magnetische Kräfte Elektrostatische Kräfte Mechanik der Flüssigkeiten und Gase (12 Std.) Der Druck Schweredruck in Flüssigkeiten Auftrieb Luftdruck Grundlagen der Elektronik (9 Std.) Eigenschaften von Halbleiterdiode, Solarzelle, Transistor Leitungsmechanismen in Halbleitern Mechanische Schwingungen und Wellen (10 Std.) Beschreiben mechanischer Schwingungen Beschreiben mechanischer Wellen Schallwellen Körper, Dichte der Stoffe, Bewegungen (14 Std.) Körper und Stoff Volumen, Masse und Dichte Bewegungen und ihre Beschreibung Stromstärke und Spannung in Stromkreisen (18 Std.) Die elektrische Stromstärke Die elektrische Spannung Thermische Energie (15 Std.) Thermische Energie und Wärme Übertragung von Energie Wärmekraftmaschinen Energieversorgung (18 Std.) Energiebereitstellung in Kraftwerken Elektromagnetische Induktion Kernenergie Kosmos, Erde und Mensch (18 Std.) Sonnensystem, Sterne, Sternsysteme Orientierung am Himmel Weltbilder Erkenntnismethoden in der Astronomie Temperatur und Zustand von Körpern (14 Std.) Temperatur und Temperaturmessung Volumen- und Längenänderung von Körpern Aggregatzustände und ihre Änderungen Energiewandler (10 Std.) Energie, Energieformen und Energieumwandlungen Mechanische Energie und mechanische Leistung Eigenschaften elektrischer Bauelemente (15 Std.) Der elektrische Widerstand Widerstandsgesetz Kennlinie von Bauelementen Elektrische Energie und Leistung Bewegungsgesetze (16 Std.) Kinematische Bewegungsgesetze Newtonsche Gesetze Licht als Strahl und Welle (9 Std.) Brechungsgesetz, Dispersion und Farbzerlegung Beugung und Interferenz Elektrische Stromkreise (5 Std.) Elektrischer Strom und seine Wirkungen Elektrische Stromkreise Hertzsche Wellen (7 Std.) Eigenschaften und elektromagnetisches Spektrum Selbstständiges Experimentieren (8 Std.) Physikalisches Praktikum (7 Std.) Physikalisches Praktikum (6 Std.) Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Sehen und Fotografieren Wärmedämmung Farben Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Kraftwandler früher und heute Elektrische Schaltungen Vom Fliegen Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Vom Ballonfahren Kühlschrank und Wärmepumpe Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Natürliche Radioaktivität Energie von Wind und Sonne Bewegungen auf gekrümmten Bahnen Wahlpflichtbereiche (je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl) Fernrohre Kommunikation mit elektronischen Medien Fernsehbildtechnik Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht Zeit zur freien Verfügung Zeit für Projekte Fächerverbindender Unterricht

4 4 Übersicht über den Physikunterricht der Klassen 6 12 Gymnasium Klassen Grundkurs Jahrgangsstufe 11 (2 Std.) Jahrgangsstufe 12 (2 Std.) Erhaltung der Energie (10 Std.) Energieerhaltungssatz Übertragung von Energie durch Arbeit Potenzielle und kinetische Energie Entwertung von Energie, Reibung, Reibungsarbeit Anwendungen Anwendung der Kinematik und Dynamik (14 Std.) Kinematik der geradlinigen Bewegung Waagerechter Wurf Kraft und Bewegung Gleichförmige Kreisbewegung Praktikum Kondensator und Spule (6 Std.) Problemlösen bei komplexen experimentellen Anforderungen Kondensator als Ladungs- und Energiespeicher Anwenden der Kenntnisse zur elektromagnetischen Induktion Fehlerbetrachtungen Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern (18 Std.) Elektrische Ladung und elektrisches Feld Bewegung von geladenen Teilchen in elektrischen Feldern Magnetismus und magnetisches Feld Bewegung von geladenen Teilchen in magnetischen Feldern Welleneigenschaften des Lichts (8 Std.) Huygenssches Prinzip Reflexion, Brechung, Beugung Interferenz, Polarisation Praktikum Optik (6 Std.) Problemlösen bei komplexen experimentellen Anforderungen Untersuchungen zu Reflexion, Brechung, Interferenz Fehlerbetrachtungen Grundlagen der Quantenphysik (10 Std.) Photonen als Quantenobjekte, äußerer lichtelektrischer Effekt Einsteinsche Gleichung und ihre Interpretation Quanteneigenschaften der Materie Strahlung der Atomhülle und des Atomkerns (20 Std.) Historische Entwicklung von Atommodellen Energietermschema, Emission und Absorption von Licht Laserstrahlung Radioaktivität als Naturerscheinung Eigenschaften von Alpha-, Beta- und Gammastrahlung Energetische Betrachtungen für Kernprozesse Phänomene und Anwendungen radioaktiver Strahlung Relativität von Zeit und Raum (4 Std.) Postulate der Relativitätstheorie Relativität von Zeit und Strecke Wirkung der Gravitation auf Licht Wahlpflichtbereich (4 Std.) Es kann aus den folgenden drei Themen ausgewählt werden: 1 Bestimmung elementarer Naturkonstanten 2 Physikalisch-technische Exkursion 3 Technische Anwendungen von Spulen und Kondensatoren Wahlpflichtbereich (4 Std.) Es kann aus den folgenden drei Themen ausgewählt werden: 1 Anwendungen der Physik 2 Optische Phänomene 3 Akustik

5 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan 5 3 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Im nachfolgenden Stoffverteilungsplan ist eine mögliche Variante angegeben. Bei dem Stoffverteilungsplan ist insbesondere zu beachten, dass die Bauelemente Spule und Kondensator im Praktikum Kondensator und Spule verbindlich zu behandeln sind, zugleich aber das Wahlthema Technische Anwendungen von Spulen und Kondensatoren mit teilweise identischen Inhalten ausgewiesen ist. Zu überlegen ist auch, ob man das Wahlthema Bestimmung elementarer Naturkonstanten als gesondertes Thema behandelt oder ob man die Bestimmung der Elementarladung und die Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons in die Behandlung der Bewegung von geladenen Teilchen in Feldern integriert. Die verwendeten Abkürzungen bedeuten: LB Lehrbuch Physik Klasse 11 Grundkurs, Duden PAETEC Schulbuchverlag DE Demonstrationsexperiment SE Schülerexperiment 10 Erhaltung der Energie LB S Historische Entwicklung des Energiebegriffs Energetische Betrachtungen haben den bisherigen Physikunterricht ab Kl. 7 durchzogen (Energie und Energieerhaltungssatz Kl. 7, thermische und elektrische Energie Kl. 8, Energieversorgung und Kernenergie Kl. 9). Diese Kenntnisse sollten reaktiviert und systematisiert werden. DE: Trinkende Ente als Perpetuum mobile Der Energieerhaltungssatz Für die geforderten historischen Betrachtungen zum Energieerhaltungssatz bietet das LB ein Angebot. LB S. 7 2 Übertragung von Energie durch Arbeit W = ΔE W = F s Es ist zu beachten, dass die physikalische Größe Arbeit zwar in der sächsischen Mittelschule eingeführt wird, nicht aber im Gymnasium bis einschließlich Klasse 10. Es geht somit um eine Neueinführung einer Größe. Die Beschränkung auf W = F s ist für den Grundkurs sinnvoll. Hinweise auf die allgemeineren Fälle (konstante Kraft nicht in Wegrichtung, veränderliche Kraft) sollten aber erfolgen. DE: Verschiedene Arten von Arbeit 2 Kinetische und potenzielle Energie E kin = } 1 2 m v 2 E pot = m g h E sp = } 1 2 D s 2 Im Mittelpunkt steht die quantitative Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Arbeit und Energie. Fasst man Arbeit als die durch Kraft übertragene Energie auf, dann steht weiter der Energiebegriff im Mittelpunkt. Auf die Analogie zu Wärme und thermische Energie sollten die Schüler aufmerksam gemacht werden. DE: Wirkungen von Körpern, die Energie besitzen (Bewegungsänderung anderer Körper, Verformung anderer Körper, Zerstörung anderer Körper)

6 6 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan 2 Energieentwertung durch Reibungsarbeit Die Reibung wurde qualitativ in Klassen sieben behandelt. Man kann deshalb von einer weitgehenden Neubehandlung ausgehen. Reibung und Bewegung F R = µ F N Im Zusammenhang mit Körpern auf geneigten Ebenen sollte die Zusammensetzung von zwei Kräften und die Zerlegung einer Kraft in zwei Komponenten wiederholt werden. DE: Bewegung von Körpern auf geneigten Ebenen Bei der Behandlung der Energieentwertung ist zu beachten, dass dieser Begriff in mehrfacher Bedeutung verwendet wird. In der Physik ist damit zumeist die Energie gemeint, die im Hinblick auf einen bestimmten Zweck für uns nicht mehr nutzbar ist. DE: Energieumwandlungen bei Federschwingern und Fadenpendeln 3 Anwendungen des Energieerhaltungssatzes auf Probleme aus Alltag, Sport und Technik Das Lehrbuch bietet für diesen Unterrichtsschwerpunkt eine Reihe von Beispielen und ein relativ breites Aufgabenangebot. LB S LB S Dringend zu empfehlen ist es, an die Schüler den Bilanzgedanken heranzutragen (LB S. 22), damit sie befähigt werden, systematisch an die Lösung von Problemen heranzugehen. 14 Anwendung der Kinematik und Dynamik LB S Kinematik der geradlinigen Bewegung Am Anfang dieses Lernbereichs sollte eine systematische Wiederholung und Vertiefung der Grundlagen erfolgen, die für die Behandlung aller nachfolgenden Inhalte wichtig sind (Bezugssystem, Einteilung von Bewegungen, Modell Massepunkt, Ort, Weg, Geschwindigkeit, Beschleunigung). LB S Gleichförmige geradlinige Bewegungen Der neue Aspekt in Klasse 11 ist die Berücksichtigung eines Anfangswegs. DE: Gleichförmige Bewegungen (z. B. Luftkissenbahn, schwach geneigte Ebene) Gleichmäßig beschleunigte geradlinige Bewegungen, freier Fall als spezielle gleichmäßig beschleunigte Bewegung Den Schülern sollte an Beispielen verdeutlicht werden, dass man häufig ein Bezugssystem so wählen kann, dass Anfangsweg bzw. Anfangsgeschwindigkeit keine Rolle spielen. DE: gleichmäßig beschleunigte Bewegungen (Schienenwagen, geneigte Ebene) Ein inhaltlicher Schwerpunkt ist das Arbeiten mit Diagrammen. Die Schüler sollten dabei methodenbewusst herangehen. Im LB sind dazu Anregungen enthalten. LB S. 43 Genutzt werden kann die Möglichkeit, Messwerte mit einem grafikfähigen- Taschenrechner (LB S ) oder mit einem Computer auszuwerten. DE: Bestätigung von Bewegungsgesetzen Eine Möglichkeit der Vertiefung ist die Modellbildung mit einem Computer. Beispiele dafür sind im Lehrbuch dargestellt. LB S

7 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan 7 3 Waagerechter Wurf Geschwindigkeit und Beschleunigung als vektorielle Größen Es sollte die Zusammensetzung von Geschwindigkeiten in den Vordergrund gestellt werden. Das wird beim waagerechten Wurf benötigt. Superpositionsprinzip Bei der Erläuterung dieses Prinzips kann auf Beispiele aus dem Erfahrungsbereich der Schüler zurückgegriffen werden (Boot auf einem Fluss, laufender Fahrgast im fahrenden Zug). Beschreibung des waagerechten Wurfs Grafische und analytische Beschreibung sollten parallel zueinander erfolgen. Den Schülern muss deutlich werden, dass sie mit den bisher erworbenen Kenntnissen einen waagerechten Wurf vollständig mathematisch beschreiben können. DE: Waagerechter Wurf (mit Wasser oder mit Kugelstoßgerät) Anwendungen Lösen von praxisnahen Aufgaben LB S Kraft und Bewegung Newtonsche Gesetze Wiederholung und Vertiefung der in Klasse 9 behandelten newtonschen Gesetze DE: Kraft und Bewegungsänderung DE: actio = reactio Beschleunigungs- und Bremskräfte Den Schülern muss bewusst werden, dass es hierbei immer um die auf einen Körper wirkende resultierende Kraft geht. Anwendungen Das Lehrbuch bietet dazu Beispiele und ein breites Aufgabenangebot. LB S LB S Kinematik und Dynamik der Kreisbewegung Man beachte: Das Thema ist ein mögliches Wahlthema in Klasse 9. Kinematik der Kreisbewegung v = } 2π r T Dynamik der Kreisbewegung F r = m } v 2 r Im Mittelpunkt steht die Bahngeschwindigkeit bei der gleichförmigen Kreisbewegung eines Körpers. Die Einführung der Winkelgeschwindigkeit ist nicht vorgesehen. Auf die Beschreibung mithilfe von Drehzahl und Frequenz sollte aber aufmerksam gemacht werden. Die Einführung der Radialkraft kann exemplarisch genutzt werden, um die Schüler mit charakteristischen Methoden zum Finden von Gesetzen bekannt zu machen. DE: Gleichförmige Kreisbewegungen LB S Praktikum Kondensator und Spule Die Schwerpunkte können in diesem Praktikum unterschiedlich gesetzt werden. Allein aufgrund der zeitlichen Planung lassen sich nicht alle im Lehrplan genannten Schwerpunkte im gleichen Umfang realisieren. Inhaltlich ist zu beachten, dass die elektromagnetische Induktion in Klasse 9 behandelt wurde, der Kondensator aber ein für die Schüler im Physikunterricht neues Bauelement ist. LB S

8 8 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Zweckmäßig erscheint folgendes Herangehen: Behandlung ausgewählter Grundlagen und Bekanntmachen der Schüler mit den Anforderungen im Praktikum LB S , S Hinweise auf Messfehler und ihre Beachtung bei der Vorbereitung und Durchführung von Messungen LB S Durchführung von Experimenten durch die Schüler. Im Lehrbuch sind dazu Experimentieranleitungen vorhanden, die auf die im Lehrplan ausgewiesenen Anforderungen (Entwickeln von Experimentieranordnungen, Bearbeiten von Erklärungsproblemen) ausgerichtet sind. LB S Auswertung des Praktikums 18 (+3) Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern LB S Elektrische Ladung Elementare Kenntnisse zu Ladungen und elektrischen Feldern sind in Kl. 7 vermittelt worden. Eine fundierte Behandlung der Größe Ladung ist deshalb in Klasse 11 erforderlich. Elektrische Felder und ihre Beschreibung E = } F Q E = } U d Die Beschreibung erfolgt mithilfe von Feldlinienbildern und durch die elektrische Feldstärke E. Eine quantitative Beschreibung eines Radialfelds ist nicht erforderlich. DE: Experimentelle Darstellung von elektrischen Feldern 3 Geladene Teilchen in elektrischen Feldern Es erfolgte eine Betrachtung der Bewegung von geladenen Teilchen im homogenen Längs- und Querfeld. Bei einem Querfeld sollten die Analogien zum waagerechten Wurf genutzt werden. DE: Ablenkung von Elektronen in einer Elek tronenstrahlröhre durch ein elektrisches Feld Anwendungen, Lösung von Aufgaben Elektronenstrahlröhre mit elektrostatischer Ablenkung (Oszillograf) LB S. 101, S. 123 (+1) Bestimmung der Elementarladung nach Millikan (Wahlpflichtthema 1) LB S Magnete und magnetische Felder Auch zu Magneten und magnetischen Feldern sind in Kl. 7 elementare Grundlagen vermittelt und in Kl. 9 bei der elektromagnetischen Induktion genutzt worden. Trotzdem ist es sinnvoll, diese elementaren Grundlagen zu wiederholen und zu vertiefen. LB S Die magnetische Flussdichte Im Lehrbuch ist ein praktikabler Weg zur Einführung dieser Größe angegeben. Damit die Schüler eine Vorstellung über die Stärke von Magnetfeldern bekommen, sollten verschiedene Magnetfelder ausgemessen werden. LB S. 106 DE: Messung der Flussdichte mit einer Hall- Sonde (+1) Die magnetische Feldkonstante µ 0 Die Bestimmung dieser Konstanten ist im Wahlpflichtthema 1 ausgewiesen. LB S. 147

9 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan 9 4 Geladene Teilchen in magnetischen Feldern Die Lorentzkraft F L = Q v B Als Grundlage aller nachfolgenden Betrachtungen wird die Lorentzkraft eingeführt. Dabei erfolgt eine Beschränkung auf den Fall, dass die Bewegung der geladenen Teilchen senkrecht zu den Feldlinien eines homogenen Magnetfelds erfolgt. Die Lorentzkraft als Radialkraft Es sollte eine enge Verbindung von theoretischen Betrachtungen und Experimenten realisiert werden. DE: Kreisbewegung eines Elektronenstrahls (+1) Bestimmung der spezifischen Ladung } m e von Elektronen (Wahlpflichtthema 1) DE: Bestimmung von } m e Der Hall-Effekt Der Hall-Effekt wird als Anwendung der Lorentzkraft behandelt. 4 Anwendungen Längerfristig können bei diesem Thema Erkundungsaufträge und Aufträge für Vorträge beziehungsweise Präsentationen an die Schüler gestellt werden. Als Anwendungen bieten sich an: Massenspektrometer LB S. 114 Elektronenmikroskop LB S. 115 Beschleuniger LB S Relativität von Zeit und Raum LB S Klassische Vorstellungen von Zeit und Raum Der vom Lehrplan vorgegebene zeitliche Rahmen ermöglicht keinen fundierten Einstieg in das Thema. Es kann lediglich ein elementarer Überblick gegeben werden. LB S Postulate von Einstein Nennen und Interpretieren der zwei einsteinschen Postulate LB S. 131 Relativität der Gleichzeitigkeit Schülerdiskussion: Wie können zwei Schüler, die sich in 10 m Abstand voneinander befinden, ihre Uhren synchronisieren? LB S. 133 Zeitdilatation und Längenkontraktion Entscheidend ist die Erkenntnis: Zeit und Länge eines Körpers hängen davon ab, von welchen Bezugssystem aus sie gemessen werden. LB S Hinweise auf die allgemeine Relativitätstheorie Im LB ist eine Elementarisierung dargestellt, auf die im Unterricht zurückgegriffen werden kann. LB S

10 10 Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan 4 Wahlpflichtthema Zu den Wahlpflichtthemen 1 und 3 sind im LB Hinweise und Anregungen enthalten. Dabei ist zu beachten: LB S Wahlpflichtthema 1 kann gut in den Lernbereich 4 (Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern) integriert werden. Die ist dann diesem Lernbereich zuzuschlagen. Wahlpflichtthema 4 ist inhaltlich mit dem Lernbereich 3 (Praktikum Kondensator und Spule) verknüpft. Im LB S ist eine Variante angegeben, bei der keine inhaltlichen Wiederholungen mit dem genannten Lernbereich auftreten.