Schulcurriculum für das Fach Physik in der Stufe 6:

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1 Schulcurriculum für das Fach Physik in der Stufe 6: Vorgaben zu den Inhaltsfeldern und fachlichen Kontexten für das Fach Physik Inhaltsfelder Elektrizität Sicherer Umgang mit Elektrizität Stromkreise Leiter und Isolatoren UND-,ODER- und Wechselschaltung Dauermagnete und Elektromagnete Magnetfelder Nennspannungen von elektrischen Quellen und Verbrauchern Wärmewirkung des elektrischen Stroms Sicherung Einführung der Energie über Energiewandler und Energietransportketten Temperatur und Energie Thermometer Temperaturmessung Volumen und Längenänderung bei Erwärmung oder Abkühlung Aggregatzustände (Teilchenmodell) Energieübergang zwischen Körpern verschiedener Temperatur Sonnenstand Das Licht und der Schall Licht und Sehen Lichtquellen und Lichtempfänger Geradlinige Ausbreitung des Lichts Schatten Mondphasen Schallquellen und Schallempfänger Fachliche Kontexte Elektrizität im Alltag Schülerinnen und Schüler experimentieren mit einfachen Stromkreisen Was Strom alles kann (Geräte im Alltag) Schülerinnen und Schüler unersuchen ihre eigene Fahrradbeleuchtung Messgeräte erweitern die Wahrnehmung Sonne-Temperatur-Jahreszeiten Was sich mit der Temperatur alles ändert Leben bei verschiedenen Temperaturen Die Sonne-unsere wichtigste Energiequelle Sehen und Hören Sicher im Straßenverkehr-Augen und Ohren auf! Sonnen- und Mondfinsternis Physik und Musik 1

2 Reflexion Spiegel Schallausbreitung Tonhöhe und Lautstärke Konkretisierte Unterrichtsvorhaben Die folgenden konkretisierten Unterrichtsvorhaben verstehen sich als Empfehlung der FS Physik des DKG Köln und sind an das verwendete Lehrwerk angepasst. Individuelle Änderungen der einzelnen Lehrkraft entsprechend der unterrichteten Lerngruppe sind unter Einhaltung des Kerncurriculums vorbehalten. Lehrwerk: Duden Physik 5/6, Gymnasium Nordrhein-Westfalen Ausgegangen wir von einem zweistündigen Physikunterricht. Bei 40 Unterrichtswochen ergeben sich maximal 80 Unterrichtsstunden à 45 Minuten. Unterrichtsvorhaben I Inhaltsfeld: Elektrizitätslehre Fachlicher Inhalt: Elektrizität im Alltag Kontexte: -Hier wird geschaltet -Was der Strom alles kann -Anziehen trotz Abstand-Magnete schaffen das Buchseiten: Zeitbedarf: etwa 25 Unterrichtsstunden Inhalt Seiten Konzeptbezogene Kompetenzen Hier wird geschaltet Der einfache Stromkreis,Fahrradbeleuchtung Reihen- und Parallelschaltung, UND-ODER Schaltung, knifflige Schaltungen Basiskonzept System: - an Beispielen erklären, dass das Funktionieren von Elektrogeräten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt -einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen Basiskonzept Wechselwirkung:

3 Leiter und Nichtleiter, Sicherheit beim Umgang mit elektrischem Strom Was der Strom alles kann Wirkungen des elektrischen Stroms, Kurzschluss beim Magnetismus erläutern, dass Körper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder abstoßende Wirkung aufeinander ausüben können - an Beispiele aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stroms aufzeigen und unterscheiden. - geeignete Maßnahmen für den sicheren Umgang mit Strom beschreiben Energiebegriff und Nutzung von Energie, Energieübertragung (Energietransportketten) Erhaltung und Entwertung von Energie Anziehen trotz Abstand-Magnete schaffen das Magnete und Wirkungen, das magnetische Feld, Herstellen von Magneten, Elektromagnete Basiskonzept Energie: -an Vorgängen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung, Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen -in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energieerhaltung zugrunde legen -an Beispielen zeigen, dass Energie, die als Wärme in die Umgebung abgegeben wird, in der Regel nicht weiter genutzt werden kann -an Beispielen energetische Veränderungen an Körpern und die mit ihnen verbundenen Energieübertragungsmechanismen einander zuordnen Basiskonzept Struktur der Materie: Zu dem Basiskonzept Struktur der Materie sind keine konzeptbezogenen Kompetenzen ausgewiesen. Das Basiskonzept kann aufgegriffen werden, wenn es darum geht, Stoffe an ihren Eigenschaften zu erkennen. Das ist sowohl bei der elektrischen Leitfähigkeit von Stoffen als auch bei ihrer Magnetisierbarkeit sinnvoll. Unterrichtsvorhaben II Inhaltsfeld: Temperatur und Energie Fachlicher Inhalt: Sonne-Temperatur-Jahreszeiten Kontexte: 3 -Was sich mit Temperatur alles ändert -Leben bei verschiedenen Temperaturen

4 4 Dreikönigsgymnasium Schulcurriculum Physik Buchseiten: Die Sonne-unsere wichtigste Energiequelle -Orientierung am Stand der Sonne Zeitbedarf: etwa 24 Unterrichtsstunden Inhalt Seiten Konzeptbezogene Kompetenzen Was sich mit der Temperatur alles ändert Temperatur und ihre Messung, Warm-Kalt-Empfindung, Celsius-Skala,Bau eines Thermometers, Teilchenbewegung Volumenänderung von festen, flüssigen und gasförmigen Körpern, Anomalie des Awssers Leben bei verschiedenen Temperaturen Wärme und Wärmequellen, Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Wärmeströmung, Wärmedämmung und technische Anwendungen, Schutz gegen Wärmeverlust bei Lebewesen Die Sonne-unsere wichtigste Energiequelle Aggregatzustände, Aggregatzustandsänderungen und ihre Umwandlungstemperaturen, Verdunsten von Flüssigkeiten Wasserkreislauf, Wetterphänomene und Klima Orientierung am Stand der Sonne Entstehung von tag und Nacht Entstehung der Jahreszeiten Basiskonzept System: -den Sonnenstand als für die Temperaturen auf der Erdoberfläche als eine Bestimmungsgröße erkennen. Basiskonzept Wechselwirkung: -geeignete Schutzmaßnahmen gegen die Gefährdungen durch Schall und Strahlung nennen Basiskonzept Energie: -an Beispielen zeigen, dass Energie, die als Wärme in die Umgebung abgegeben wird, in der Regel nicht weiter genutzt werden kann -an Beispielen energetische Veränderungen an Körpern und die mit ihnen verbundenen Energieübertragungsmechanismen einander zuordnen Basiskonzept Struktur der Materie: -an Beispielen beschreiben, dass sich bei Stoffen die Aggregatzustände durch Aufnahme bzw. Abgabe von thermischer Energie (Wärme) verändern -Aggregatzustände, Aggregatzustandsübergänge auf der Ebene einer einfachen Teilchenvorstellung beschreiben

5 Unterrichtsvorhaben III Inhaltsfeld: Das Licht und der Schall Fachlicher Inhalt: Sehen und Hören Kontexte: Buchseiten: Sicher im Starßenverkehr und - Physik und Musik Zeitbedarf: etwa 23 Unterrichtsstunden Inhalt Seiten Konzeptbezogene Kompetenzen Sicher im Straßenverkehr Lichtquellen, Ausbreitung von Licht, Absorption, Streuung und Reflexion, das Sehen Bilder durch Öffnungen und an Spiegeln Licht und Schatten, Mondphasen, Sonnen-und Mondfinsternis Physik und Musik Schall und Schallausbreitung, Schallquellen, menschliche Stimme, Hörbereich, Ohr Schallaufzeichungen und Wiedergabe, Lärm und Lärmschutz Basiskonzept System: -Grundgrößen der Akustik nennen -Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erläutern Basiskonzept Wechselwirkung: -Bildentstehung und Schatten mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklären -Schwingungen als Ursache von Schall und Hören als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren -geeignete Schutzmaßnahmen gegen die Gefährdungen durch Schall und Strahlung nennen Basiskonzept Energie und Basiskonzept Struktur der Materie: Zu den Basiskonzepten Energie und Struktur der Materie sind keine konzeptbezogenen Kompetenzen ausgewiesen. Sowohl bei der Lichtausbreitung, aber auch bei der Schallausbreitung sind Bezüge zum Basiskonzept Energie möglich. Das Basiskonzept Struktur der Materie kann bei der Schallausbreitung in verschiedenen Stoffen aufgegriffen werden. 5

6 Schulcurriculum für das Fach Physik in den Stufen 7-9: Inhaltsfelder Fachliche Kontexte Konzeptbezogene Kompetenzen blau: Basiskonzept Energie grün: Basiskonzept Struktur der Materie rot: Basiskonzept System Optische Instrumente, Farbzerlegung des Lichts Aufbau und Bildentstehung beim Auge Funktion der Augenlinse Lupe als Sehhilfe Fernrohr Brechung, Reflexion, Totalreflexion und Lichtleiter Zusammensetzung des weißen Lichts Elektrizität 6 Einführung von Stromstärke und Ladung Eigenschaften von Ladung elektrische Quelle und elektrischer Verbraucher Unterscheidung und Messung von Spannungen und Stromstärken Spannungen und Stromstärken bei Reihen- und Parallelschaltungen elektrischer Widerstand Ohm sches Gesetz Kraft, Druck, mechanische und innere Energie Geschwindigkeit Kraft als vektorielle Größe, Optik hilft dem Auge auf die Sprünge Mit optischen Instrumenten Unsichtbares sichtbar gemacht Lichtleiter in Medizin und Technik Die Welt der Farben Die ganz großen Sehhilfen: Teleskope und Spektrometer Elektrizität messen, verstehen, anwenden Elektroinstallationen und Sicherheit im Haus Autoelektrik Hybridantrieb Werkzeuge und Maschinen erleichtern die Arbeit Einfache Maschinen: Kleine Kräfte, lange Wege violett: Basiskonzept Wechselwirkung die Funktion von Linsen für die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben. Absorption, und Brechung von Licht beschreiben. Infrarot-, Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung beschreiben. die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfähigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Hülle-Modells erklären. die Spannung als Indikator für durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschreiben. den quantitativen Zusammenhang von Spannung, Ladung und gespeicherter bzw. umgesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgänge in Stromkreisen nutzen. die Beziehung von Spannung, Stromstärke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden. umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstärke bestimmen. die Stärke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funktionsweise einfacher elektrischer Geräte darauf zurückführen. den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklären. den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklären Bewegungsänderungen oder Verformungen von Körpern auf das Wirken von Kräften zurückführen.

7 Zusammenwirken von Kräften Gewichtskraft und Masse Hebel und Flaschenzug Mechanische Arbeit und Energie Energieerhaltung Druck Auftrieb in Flüssigkeiten 100 m in 10 Sekunden (Physik und Sport) Anwendungen der Hydraulik Tauchen in Natur und Technik Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Größen beschreiben. die Wirkungsweisen und die Gesetzmäßigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben. Druck als physikalische Größe quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden. Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden. die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben. Radioaktivität und Kernenergie Aufbau der Atome ionisierende Strahlung (Arten, Reichweiten, Zerfallsreihen, Halbwertzeit) Strahlennutzen Strahlenschäden und Strahlenschutz Kernspaltung Nutzen und Risiken der Kernenergie Radioaktivität und Kernenergie Grundlagen, Anwendungen und Verantwortung Radioaktivität und Kernenergie Nutzen und Gefahren Strahlendiagnostik und Strahlentherapie Kernkraftwerke und Fusionsreaktoren Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben. die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben. Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben. Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Röntgenstrahlung nennen. Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben. Zerfallsreihen mithilfe der Nuklidkarte identifizieren. Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Röntgenstrahlung bewerten. technische Geräte hinsichtlich ihres Nutzens für Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen. experimentelle Nachweismöglichkeiten für radioaktive Strahlung beschreiben. die Wechselwirkung zwischen Strahlung, insbesondere Ionisierender Strahlung, und Materie sowie die daraus resultierenden Veränderungen der Materie beschreiben und damit mögliche medizinische Anwendungen und Schutzmaßnahmen erklären. Energie, Leistung, Wirkungsgrad Energie und Leistung in Mechanik, Elektrik und Wärmelehre Aufbau und Funktionsweise eines Kraftwerkes regenerative Energieanlagen Energieumwandlungsprozesse Elektromotor und Generator Wirkungsgrad Erhaltung und Umwandlung von Energie Effiziente Energienutzung: eine wichtige Zukunftsaufgabe der Physik Strom für zu Hause Das Blockheizkraftwerk Energiesparhaus Verkehrssysteme und Energieeinsatz in relevanten Anwendungszusammenhängen komplexere Vorgänge energetisch beschreiben und dabei Speicherungs-, Transport-, Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen. die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erläutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen. die Verknüpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z.b. in Fahrzeugen, Wärmekraftmaschinen, Kraftwerken usw.) erkennen und beschreiben. an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen. den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energieumsetzung durch Kraftwirkung: Arbeit), Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen. 7

8 Temperaturdifferenzen, Höhenunterschiede, Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen für und als Folge von Energieübertragung an Beispielen aufzeigen. Lage-, kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch übertragene Energie (Wärmemenge) unterscheiden, formal beschreiben und für Berechnungen nutzen. beschreiben, dass die Energie, die wir nutzen, aus erschöpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann. die Notwendigkeit zum Energiesparen begründen sowie Möglichkeiten dazu in ihrem persönlichen Umfeld erläutern. verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanz diskutieren. den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklären (z. B. Kraftwerke, medizinische Geräte, Energieversorgung). Energieflüsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben. technische Geräte und Anlagen unter Berücksichtigung von Nutzen, Gefahren und Belastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erläutern. die Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine erklären. Schulinternes Curriculum DKG Physik EF Lehrwerk: Dorn-Bader Physik 11, Gymnasium Schroedel-Verlag Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben Einführungsphase Kontext, Inhaltsfeld, Zeitbedarf Inhaltliche Schwerpunkte Kompetenzschwerpunkte Unterrichtsvorhaben I Kontext: Bewegungen und Kräfte im Straßenverkehr Inhaltsfeld: Mechanik Kräfte und Bewegungen K1 Dokumentation E5 Auswertung K3 Präsentation 8

9 Zeitbedarf: etwa 20 Ustd. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben II Kontext: Erhaltungssätze im Straßenverkehr Inhaltsfeld: Mechanik Zeitbedarf: etwa15 Ustd. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben III Kontext: Fall- und Wurfbewegungen im Sport Inhaltsfeld: Mechanik Zeitbedarf: etwa15 Ustd. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben IV Kontext: Unser Planetensystem Inhaltsfeld: Mechanik Zeitbedarf: etwa15 Ustd. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben V Kontext: Schwingungen und Wellen bei Musikinstrumenten Inhaltsfeld: Mechanik Zeitbedarf: etwa15 Ustd. à 45 Minuten Energie und Impuls Kräfte und Bewegungen Kräfte und Bewegungen Energie Gravitation Schwingungen und Wellen Kräfte und Bewegungen Energie UF2 Auswahl UF2 Auswahl E3 Hypothesen E6 Modelle E1 Probleme und Fragestellungen K4 Argumentation E6 Modelle E6 Modelle E7 Arbeits- und Denkweisen E1 Probleme und Fragestellungen UF1 Wiedergabe UF1 Wiedergabe UF4 Vernetzung E2 Wahrnehmung und Messung E6 Modelle Summe Einführungsphase 80 Stunden 9

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11 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben Die folgenden konkretisierten Unterrichtsvorhaben verstehen sich als Empfehlung der FS Physik des DKG Köln. Individuelle Änderungen der einzelnen Lehrkraft entsprechend der unterrichteten Lerngruppe sind unter Einhaltung des Kerncurriculums vorbehalten. Unterrichtsvorhaben I Kontext: Kräfte und Bewegungen im Straßenverkehr Buchseiten: 6 35 Zeitbedarf: etwa 20 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Bewegungen und Kräfte Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können in Zusammenhängen mit eingegrenzter Komplexität (K1) Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge. (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern. (K3) physikalische Sachverhalte, Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten darstellen. (UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen. Inhalt (Ustd. à 45 min) Gleichförmige Bewegung (3 Ustd.) Buchseiten Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler 9-11 erläutern die Größen Position, Strecke und Geschwindigkeit und ihre Beziehungen zueinander an Experimente und Materialien Experiment (V1): Untersuchung der Bewegung einer Kommentar Zeit-Ort-Diagramm, Zeit-Geschwindigkeit-Diagramm, 11

12 unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4). Modelleisenbahn negative Geschwindigkeitswerte stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (t-s-diagramme, t-v-diagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3). Die Momentangeschwindigkeit (2 Ustd.) erläutern die Größen Position, Strecke und Geschwindigkeit und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4). stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (t-s-diagramme, t-v-diagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3). Experiment (B3): Näherungsweise Messung der Momentangeschwindigkeit als mittlere Geschwindigkeit in einem sinnvoll kleinen Zeitintervall auf der Luftkissenfahrbahn Experiment und Excel-Datei: Aufzeichnung und Auswertung einer Fahrradfahrt mit einem Datenlogger Momentangeschwindigkeit Aufzeichnung und Auswertung einer Fahrradfahrt mit einem Datenlogger Überholvorgang unter der Lupe (1 Ustd.) stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (t-s-diagramme, t-v-diagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3). Experiment (V1): Simulation eines Überholvorgangs im Labor Reale Bewegungen: t-s-diagramm ohne Knicke, t-v-diagramm ohne Sprünge Beschleunigte Bewegungen (5 Ustd.) erläutern die Größen Position, Strecke, Geschwindigkeit und Beschleunigung und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen Experiment (V1): Aufzeichnung des Anfahrens mit dem Fahrrad mit einem Datenlogger Experiment (V2): Aufzeichnung einer gleichmäßig Bewegungen mit konstanter beschleunigender Kraft, Beschleunigung, gleichmäßig beschleunigte Bewegung, Grundgleichung der Mechanik 12

13 (UF2, UF4). planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (zur Analyse von Bewegungen), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1). reflektieren Regeln des Experimentierens in der Planung uns Auswertung von Versuchen (u.a. Zielorientierung, Sicherheit, Variablenkontrolle, Kontrolle von Störungen und Fehlerquellen) (E2, E4). stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (t-s-diagramme, t-v-diagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3). unterscheiden gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen und erklären zugrunde liegende Ursachen (UF2). erschließen und überprüfen mit Messdaten und Diagrammen funktionale Beziehungen zwischen mechanischen Größen (E5). beschleunigten Bewegung auf der Luftkissenfahrbahn, Messung des Zusammenhangs zwischen Kraft und Beschleunigung Experiment (V1): Messung des Zusammenhangs zwischen Masse und Beschleunigung Experiment (V2): Aufnahme einer stückweise gleichmäßig beschleunigten Bewegung auf der Luftkissenfahrbahn 13

14 berechnen mithilfe des newtonschen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6). Sonderfall Bewegung aus der Ruhe (2 Ustd.) erläutern die Größen Position, Strecke, Geschwindigkeit und Beschleunigung und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4). Experiment: Bewegung eines Schlittens auf der leicht schräg gestellten Luftkissenfahrbahn Zeit-Geschwindigkeit- und Zeit-Ort-Gesetz der gleichmäßig beschleunigten Bewegung aus der Ruhe Mögliche Ergänzung: Auswertung der Messung der Bewegung eines Schlittens auf der leicht schräg gestellten Luftkissenfahrbahn mit dem GTR Kräfte zusammensetzen und zerlegen (2 Ustd.) vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichgewichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1). stellen Daten in sinnvoll skalierten Diagrammen (Vektordiagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3). Experiment (V1): Messung der Hangabtriebskraft GeoGebra-Datei: Vektoraddition GeoGebra-Datei: Vektorzerlegung Kräfteaddition, Kräftezerlegung schiefe Ebene (Hangabtriebskraft, Normalkraft) actio und reactio im Straßenverkehr (2 Ustd.) analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ aus einer Wechselwirkungsperspektive (E1, UF1). Experiment (V1): Messung der Wechselwirkungskräfte bei zwei auf Skateboards stehenden Personen, die gegenseitig über ein Seil Kräfte auseinander ausüben Experiment (V2): Messung der Wechselwirkungskräfte: Kraft und Gegenkraft Unterscheidung von actio = reactio und Kräftegleichgewicht Haftreibung, Gleitreibung, Rollreibung 14

15 Haft-, Gleit- und Rollreibungskraft mit einem Klotz, der an einem Kraftmesser über einen Tisch gezogen wird Modellbildung (3 Ustd.) berechnen mithilfe des newtonschen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6). Video: senkrechter Wurf Modellierung von Bewegungen, bei denen die beschleunigende Kraft oder die Masse nicht konstant sind, mit einer Tabellenkalkulation bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (Tabellenkalkulation) (E6). Unterrichtsvorhaben II Kontext: Erhaltungssätze im Straßenverkehr Buchseiten: Zeitbedarf: etwa 15 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Energie und Impuls Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können in Zusammenhängen mit eingegrenzter Komplexität (UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen. (E3) mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer Überprüfung ableiten. 15

16 (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären und vorhersagen. Inhalt (Ustd. à 45 min) Höhenenergie und Arbeit (2 Ustd.) Buchseiten Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler 39 erläutern die Größen Strecke, Kraft, Arbeit und Energie und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4). Experimente und Materialien Kommentar Wiederholung aus der Mittelstufe: Verschiedene Energieformen (Höhenenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie, chemische Energie, innere Energie) und Übertragungsformen (Arbeit, Wärme, elektrische Energie, Strahlung) Berechnung von Arbeit und Höhenenergie Bewegungsenergie und Spannenergie (3 Ustd.) verwenden Erhaltungssätze (Energiebilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6). Experiment (V1): zwischen zwei Federn gespannter Wagen auf einer horizontalen Fahrbahn Herleitung und Anwendung von Formeln für die Bewegungs- und Spannenergie Mögliche Ergänzung: Die kausale Strategie in der Physik Erhaltungssatz der Mechanik (2 Ustd.) verwenden Erhaltungssätze (Energiebilanzen), um Bewegungszustände zu erklären und Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6). geben Kriterien an, um die Zuverlässigkeit von Messergebnissen und physikalischen Aussagen zu beurteilen und nutzen diese bei Experimente: Experimentelle Bestätigung des Energieerhaltungssatzes beim Fadenpendel und Federpendel Energieerhaltungssatz der Mechanik Mögliche Ergänzung: Bestätigung des Energieerhaltungssatzes im Experiment (Fadenpendel, Federpendel) 16

17 der Bewertung von eigenen und fremden Untersuchungen (B1). Ein Kraftstoß ändert den Impuls (2 Ustd.) erläutern die Größen Kraft, Masse, Impuls und Geschwindigkeit und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4). Kraftstoß, Impuls Vorteil der Schreibweise NEWTONs Unelastischer Stoß zweier Körper (3 Ustd.) beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wechselwirkungen und Impulsänderungen (UF1). verwenden Erhaltungssätze (Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6). Experimente (V1, V2): Stoßversuche auf der Luftkissenfahrbahn Impulserhaltungssatz Unelastischer Stoß, zunächst symmetrischer Fall, dann beliebige Bedingungen Bewegung des Schwerpunktes Elastische Stöße zweier Körper (3 Ustd.) beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wechselwirkungen und Impulsänderungen (UF1). verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6). bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (E6). bewerten begründet die Experiment (V1): Stoßversuch auf der Luftkissenfahrbahn Experiment: Videoanalyse eines unelastischen Stoßes Impuls- und Energieerhaltung bei geraden elastischen Stößen, Berechnung der Geschwindigkeiten nach dem Stoß Bewegung des Schwerpunktes Bewertung eines Textes aus einem Internetforum (S. 52, 3. Station) Mögliche Ergänzung: Lösung des Gleichungssystems für den elastischen Stoß mittels Schwerpunkgeschwindigkeit und mittels Schulmathematik Mögliche Ergänzung: Vertiefung des Unterschiedes zwischen 17

18 Darstellung bekannter mechanischer und anderer physikalischer Phänomene in verschiedenen Medien (Printmedien, Filme, Internet) bezüglich ihrer Relevanz und Richtigkeit (K2, K4). Bewegungsenergie und Impuls Mögliche Ergänzung: Schiefe Stöße Unterrichtsvorhaben III Kontext: Fall- und Wurfbewegungen im Sport Buchseiten: Zeitbedarf: etwa 15 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Kräfte und Bewegungen Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können in Zusammenhängen mit eingegrenzter Komplexität (E1) in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizieren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen präzisieren. (K4) physikalische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumenten begründen bzw. kritisieren. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären und vorhersagen. Inhalt (Ustd. à 45 min) Fallbewegungen (5 Ustd.) Buchseiten Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler berechnen mithilfe des newtonschen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität Experimente und Materialien Experiment (V1): Vergleich der Fallbewegungen einer Stahlkugel und eines Blatt Papiers Experiment (V2): Fallröhre Kommentar Freier Fall (beschleunigende Kraft, Zeit-Ort-Gesetz, Zeit-Geschwindigkeit-Gesetz) Messung der Fallbeschleunigung 18

19 vorher (E6). planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (zur Analyse von Bewegungen), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1) Experiment (V1): Videoanalyse der Fallbewegungen einer Stahlkugel und eines Papiertrichters Fallbewegung mit Luftwiderstand Mögliche Ergänzung: schwere und träge Masse beim freien Fall Mögliche Ergänzung: Energiebilanz beim freien Fall stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (t-s-diagramme, t-v-diagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3). begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnisse oder andere objektive Daten heran (K4). Fallschirmsprung im Rechenmodell (3 Ustd.) analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ aus einer Wechselwirkungsperspektive (E1, UF1). berechnen mithilfe des newtonschen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie Experiment: Experimentelle Bestätigung des Kraftgesetzes für den Luftwiderstand durch Videoanalyse des Falls von Papiertrichtern Kraftgesetz für den Luftwiderstand Modellierung des Fallschirmsprungs mit einer Tabellenkalkulation, Bestimmung der Endgeschwindigkeit Mögliche Ergänzung: Prüfen eines Werbetextes zum Fallschirmspringen 19

20 unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6). bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (Tabellenkalkulation) (E6). Mögliche Ergänzung: Vertiefung des Bewegungen mit Luftwiderstand (Bestätigung des Kraftgesetzes für den Luftwiderstand durch Messungen, Fallbewegung von Hagelkörnern und Regentropfen, Kräfte beim 100-m-Lauf) Auf der schiefen Ebene (1 Ustd.) vereinfachen komplexe Bewegungszustände durch Komponentenzerlegung (E1). Experiment (V1): Aufzeichnung einer reibungsfreien Bewegung auf der schiefen Ebene mit einer geneigten Luftkissenfahrbahn Reibungslose Bewegung auf der schiefen Ebene als Beispiel für eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung, Berechnung der Beschleunigung aus dem Neigungswinkel Mögliche Ergänzung: Freier Fall und schiefe Ebene bei GALILEI Waagerechter Wurf (3 Ustd.) vereinfachen komplexe Bewegungszustände durch Komponentenzerlegung und Vektoraddition (E1). Experiment (V1): Videoanalyse eines waagerechten Wurf Freier Fall im ICE aus der Sicht eines mitbewegten und eines neben den Schienen stehenden, ruhenden Beobachters planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (zur Analyse von Bewegungen), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1). Bewegungsgleichungen des waagerechten Wurfs, Gleichung der Bahnkurve Mögliche Ergänzung: Beobachtungen in gleichförmig bewegten und beschleunigten Systemen Schiefer Wurf (3 Ustd.) vereinfachen komplexe Bewegungszustände durch Komponentenzerlegung und Experiment (V1): Wasserwurfgerät Freier Fall in einer Bergbahn aus der Sicht eines mitbewegten und eines außen stehenden, ruhenden 20

21 Vektoraddition (E1). entscheiden begründet, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen sind (E1, E4). stellen Daten in sinnvoll skalierten Diagrammen von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemessen präzise dar (K1, K3). entnehmen Kernaussagen zu naturwissenschaftlichen Positionen zu Beginn der Neuzeit aus einfachen historischen Texten (K2, K4). stellen Änderungen in den Vorstellungen zu Bewegungen beim Übergang vom Mittelalter zur Neuzeit dar (UF3, E7). Material: Textauszug aus GALILEIs Discorsi Beobachters Bewegungsgleichungen des schiefen Wurfs Einfluss von Stoßwinkel und Abwurfgeschwindigkeit auf die Wurfweite beim Kugelstoßen Wurfbewegungen bei ARISTOTELES und GALILEI Unterrichtsvorhaben IV Kontext: Unser Planetensystem Buchseiten: Zeitbedarf: etwa 15 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Kräfte und Bewegungen, Energie, Gravitation Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können in Zusammenhängen mit eingegrenzter Komplexität (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären und vorhersagen. 21

22 (E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren kulturellen Entwicklung darstellen. sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und (E1) in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizieren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen präzisieren. (UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern. Inhalt (Ustd. à 45 min) Kreisbewegung und Zentripetalkraft (1 Ustd.) Buchseiten Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler 89 analysieren auftretende Kräfte bei Kreisbewegungen (E6). Experimente und Materialien Experiment (V1): Messung der Zentripetalkraft mit dem Zentralkraftgerät Experiment (V2): Bestätigung, dass die Bahngeschwindigkeit tangential zur Kreisbahn gerichtet ist. Kommentar Bahngeschwindigkeit, gleichförmige Kreisbewegung, Notwendigkeit einer zum Kreismittelpunkt gerichteten Kraft (Zentripetalkraft) Eine Formel für die Zentripetalkraft (2 Ustd.) entscheiden begründet, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen sind (E1, E4). analysieren und berechnen auftretende Kräfte bei Kreisbewegungen (E6). Experiment (V1): Messung der Zentripetalkraft mit dem Zentralkraftgerät und Vergleich mit dem mit der Formel berechneten Wert GeoGebra-Datei: Grafische Darstellung der Zentripetalkraft und -beschleunigung bei verschiedenen Radien, Massen und Bahngeschwindigkeiten Plausibelmachen der Formeln für die Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung Mögliche Ergänzung: Unterscheidung von Zentripetalund Zentrifugalkraft Kreisbewegungen auch auf der Kirmes (1 Ustd.) analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ aus einer GeoGebra-Datei: Die Zentripetalkraft bei der Analyse der Kräfte beim Kettenkarussell und beim Rotor 22

23 Wechselwirkungsperspektive (E1, UF1). vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichgewichtszustände durch Vektoraddition (E1). Autobahnausfahrt Mögliche Ergänzung: Klothoide bei Autobahnausfahrten und beim Looping In drei Schritten zum Gravitationsgesetz (3 Ustd.) analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ aus einer Wechselwirkungsperspektive (E1, UF1). ermitteln mithilfe des Gravitationsgesetzes astronomische Größen (E6). Video: Versuch mit der Gravitationsdrehwaage Herleitung des Gravitationsgesetzes anhand NEWTONs Mondrechnung Gravitationsgesetz und Gravitationskonstante Bestimmung der Masse und mittleren Dichte der Erde Mögliche Ergänzung: Aufbau des Planetensystems Mögliche Ergänzung: Versuch von CAVENDISH zur Bestimmung der Gravitationskonstanten (Demonstrationsexperiment oder Auswertung eines Videos) Die KEPLER-Gesetze (2 Ustd.) bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (E6). ermitteln mithilfe der KEPLER-Gesetze und des Gravitationsgesetzes astronomische Größen (E6). GeoGebra-Datei: Simulation einer Satellitenbahn Entdeckung der KEPLER-Gesetze mithilfe einer Geometriesoftware Mögliche Ergänzung: eigenständige Programmierung der auf Seite 98 benutzen Simulation Energie im Gravitationsfeld beschreiben Wechselwirkungen im Gravitationsfeld und Gravitationsfeld in Analogie zum magnetischen Feld, Definition der 23

24 (3 Ustd.) verdeutlichen den Unterschied zwischen Feldkonzept und Kraftkonzept (UF2, E6). Von ARISTOTELES bis NEWTON (2 Ustd.) Internationale Raumstation ISS analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1). verwenden Energiebilanzen, um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6) stellen Änderungen in den Vorstellungen zum Sonnensystem beim Übergang vom Mittelalter zur Neuzeit dar (UF3, E7). beschreiben an Beispielen Veränderungen im Weltbild und in der Arbeitsweise der Naturwissenschaften, die durch die Arbeiten von KOPERNIKUS, KEPLER, GALILEI und NEWTON initiiert wurden (E7, B3). 111 erläutern unterschiedliche Positionen zum Sinn aktueller Feldstärke Berechnung der zuzuführenden Arbeit beim Hochheben im Gravitationsfeld, Berechnung der potentiellen Energie, Festlegung des Nullniveau Fluchtgeschwindigkeit Mögliche Ergänzung: Herleitung der Formel für die Energieberechnung im Gravitationsfeld Mögliche Ergänzung: Herleitung der Formel für die potentielle Energie Mögliche Ergänzung: Schwerelosigkeit in verschiedenen Situationen (Raumfahrt, Sprung, Parabelflug, Fallturm) Hier ist die Erarbeitung des Themas in Referaten denkbar. A 17 Aufgabe zur ISS 24

25 (1 Ustd.) Forschungsprogramme und beziehen Stellung dazu (B2, B3). Unterrichtsvorhaben V Kontext: Schwingungen und Wellen bei Musikinstrumenten Buchseiten: Zeitbedarf: etwa 15 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Schwingungen und Wellen, Kräfte und Bewegungen, Energie Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können in Zusammenhängen mit eingegrenzter Komplexität (UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern. (UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen. (E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären und vorhersagen. Inhalt (Ustd. à 45 min) Mechanische Schwingungen (1 Ustd.) Buchseiten Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler 115 beschreiben Schwingungen als Störungen eines Gleichgewichts (UF1, UF4). Experimente und Materialien Experiment (B3): Schwingung einer Stimmgabel Experiment (B5): Schwingung Kommentar Abgrenzung der Schwingung von bereits bekannten Bewegungen Periodizität, Gleichgewichtslage, 25

26 einer Lautsprechermembran Umkehrpunkte Freie und erzwungene Schwingungen Ursache und Beschreibung von Schwingungen (2 Ustd.) analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ aus einer Wechselwirkungsperspektive (E1, UF1). beschreiben Schwingungen als Störungen eines Gleichgewichts und identifizieren die dabei auftretenden Kräfte (UF1, UF4). Experiment (B1): Federpendel Experiment (V1): Vergleich der Bewegung einer Pendelkugel mit der Projektion einer Kreisbewegung GeoGebra-Datei: Zeigerdarstellung einer harmonischen Schwingung Excel-Datei: Modellierung einer Federschwingung Beschreibung von Schwingungen: Auslenkung, Elongation, Amplitude, Periodendauer, Frequenz Ursache von Schwingungen: Rückstellkraft Harmonische Schwingung: Beschreibung durch Zeiger, Zeit-Elongation-Gesetz Mögliche Ergänzung: lineares Kraftgesetz Mögliche Ergänzung: Modellierung einer Federschwingung mit einer Tabellenkalkulation Energie einer Schwingung (3 Ustd.) analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1). erläutern das Auftreten von Resonanz mithilfe von Wechselwirkung und Energie (UF1). Experiment (V1): horizontaler Federschwinger Experiment (B3): Schwingung einer Stimmgabel Experiment (V2): horizontaler Federschwinger mit Schwingungserreger Energie der Schwingung eines ungedämpften vertikalen Federpendels Gedämpfte Schwingungen, Entdämpfung Eigenfrequenz, Resonanz Fortschreitende Welle (3 Ustd.) beschreiben Schwingungen und Wellen als Störungen eines Experiment (V1): Ausbreitung einer transversalen Störung bei Transversalwelle, Longitudinalwelle, 26

27 Gleichgewichts (UF1, UF4). erklären qualitativ die Ausbreitung mechanischer Wellen (Transversal- oder Longitudinalwelle) mit den Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (E6). einer langen Feder Experiment (V1): Ausbreitung einer longitudinalen Störung bei einer langen Feder GeoGebra-Datei: fortschreitende Welle im Zeigermodell Wellengeschwindigkeit, Phasengeschwindigkeit, Wellenlänge Darstellung von Wellen im Zeigermodell Zusammenhang zwischen Wellengeschwindigkeit, Wellenlänge und Periodendauer Die Schallgeschwindigkeit in Luft (2 Ustd.) erklären qualitativ die Ausbreitung mechanischer Wellen (Longitudinalwelle) mit den Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (E6). planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (zur Analyse von Bewegungen), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1). Experiment (V1): Messung der Schallgeschwindigkeit aus Weg und zeit Experiment (V2): Messung der Schallgeschwindigkeit aus der Phasengeschwindigkeit Schall als Welle Messung der Schallgeschwindigkeit aus Weg und Zeit sowie aus der Phasengeschwindigkeit Mögliche Ergänzung: Einfache Messungen zur Abschätzung der Schallgeschwindigkeit Mögliche Ergänzung: Präzisionsmessung der Schallgeschwindigkeit mit Ultraschallsender, -empfänger und Oszilloskop Töne und Klänge (2 Ustd.) planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (Frequenzanalyse), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1). Experiment (V1, V2, V3): Frequenzanalyse einer Stimmgabelschwingung, der Schwingung eines Monochords und der Schwingung eines überblasenen Reagenzglases mit einem Messwerterfassungssystem Frequenzanalyse (z.b. Flötton, Stimmgabel, Monochord, überblasenes Reagenzglas, Musikinstrumente) Klang, Grundschwingung, Oberschwingung Grundton und Obertöne bei zwei freien Enden, zwei festen Enden 27

28 Experiment (V4): Eigenschwingungen eines beidseitig eingespannten Gummibandes und einem freien und einem festen Ende Experiment (V5): Eigenschwingungen der Luftsäule in einem Glasrohr Stehende Wellen (2 Ustd.) bestimmen mechanische Größen mithilfe digitaler Werkzeuge (E6). GeoGebra-Datei: Zeigermodellierung der stehenden Welle Zeigermodellierung der Überlagerung von Welle und reflektierter Welle mit GeoGebra Wellenknoten, Wellenbauch Freies Ende, festes Ende Wellen bei beidseitiger Begrenzung Mögliche Ergänzung: Vertiefung der Reflexion am freien und festen Ende Schulcurriculum für das Fach Physik für die Qualifikationsphase: Inhaltsfeld/Kontext Ustd Inhalt Kompetenzen Seite im Schülerbuch Quantenobjekte: Erforschung des Photons Kapitel: Erforschung des Photons 7 Beugung und Inter-ferenz, Kreiswellen, ebene Die Schülerinnen und Schüler - veranschaulichen mithilfe der Wellenwanne qualitativ unter Verwendung von Fachbegriffen auf der Grundlage des Huygens schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen sowie die Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexion und Brechung (K3), S. 8 Experiment: Versuche mit Wasserwellen S. 10 Die Ausbreitung von Wasserwellen 28

29 Wellen, Beugung, Brechung Beugung und Interferenz, Lichtwellenlänge, Lichtfrequenz, Beugung - bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit dem Doppelspalt (E5), S. 13 Experiment: Untersuchung von Licht am Doppelspalt S. 14 Interferenzen am Doppelspalt Beugung und Interferenz, Lichtwellenlänge, Lichtfrequenz, Beugung - bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit dem Gitter (E5), S. 16 Experiment: Untersuchung von Licht am optischen Gitter S. 17 Interferenz von Licht am optischen Strichgitter S. 19 Exkurs: Holografie S. 20 Exkurs: Beugung von Licht S. 22 Methoden: Interferometer selbst gebaut Zusatzinhalt: S. 23 Die Geschwindigkeit des Lichtes S. 24 Licht als elektromagnetische Welle 7 Quantelung der Energie von Licht, Austrittsarbeit - demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoeffekt den Quantencharakter von Licht und bestimmen den Zusammenhang von Energie, Wellenlänge und Frequenz von Photonen sowie die Austrittsarbeit der Elektronen (E5, E2), S. 26 Experiment: Der Fotoeffekt I: Der Hallwachs-Versuch S. 27 Experiment: Der Fotoeffekt II: Versuche mit der Vakuum-Fotozelle S. 28 Licht löst Elektronen aus S. 31 Photonen erzeugen Beugungsbilder 14 Summe Quantenobjekte: Erforschung des Elektrons Kapitel: Erforschung des Elektrons Die Schülerinnen und Schüler 5 Elementarladung - beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder und erläutern deren Definitionsgleichungen (UF2, UF1) S. 38 Die elektrische Ladung S. 40 Elektrische Felder 29

30 - definieren die Spannung als Verhältnis von Energie und Ladung und bestimmen damit Energien bei elektrischen Leitungsvorgä30ngen (UF2), - bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungsträgers nach Durchlaufen einer elektrischen Spannung (UF2), - erläutern anhand einer vereinfachten Version des Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Ergebnisse zur Bestimmung der Elementarladung (UF1, E5), S. 42 Energie und Spannung im elektrischen Feld S. 44 Ladungsträger im elektrischen Feld S. 44 Exkurs: Die Braun sche Röhre S. 46 Experiment: Der Millikanversuch S. 47 Nachweis der Elementarladung 7 Elektronenmasse - beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder und erläutern deren Definitionsgleichungen (UF2, UF1), - modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie der Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch, variieren Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerungen her, die sich experimentell überprüfen lassen, und ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5), - beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder und erläutern deren Definitionsgleichungen (UF2, UF1), S. 49 Das magnetische Feld S. 51 Elektronen im Magnetfeld S. 53 Exkurs: Messung der magnetischen Flussdichte S. 54 Exkurs: Magnetische Felder spezieller Leiteranordnungen S. 55 Experiment: Bestimmung der Masse eines Elektrons S. 56 Elektronen haben eine Masse S. 57/58 Exkurs: Geladene Teilchen in Feldern 3 Streuung von Elektronen an Festkörpern, de Broglie-Wellenlänge - erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese, wenden diese zur Erklärung des Beugungsbildes beim Elektronenbeugungsexperiment an und bestimmen die Wellenlänge der Elektronen (UF1, UF2, E4) S. 59 Experiment: Wechselwirkung von Elektronen mit eine Graphitpulverschicht S. 60 Interferenz mit Elektronen S. 62 Exkurs: Elektronen erzeugen Beugungsbilder S. 63 Exkurs: Elektronenbeugung in der Forschung S. 64 Exkurs: Mikroskopie mit Elektronen 15 Summe Quantenobjekte: Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Kapitel: Quantenobjekte Die Schülerinnen und Schüler 30

31 5 Licht und Materie - erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektron und Photon die Bedeutung von Modellen als grundlegende Erkenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7), - verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretation für Quantenobjekte unter Verwendung geeigneter Darstellungen (Graphiken, Simulationsprogramme) (K3), - zeigen an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbereiche von Wellen- und Teilchenmodellen für Licht und Elektronen auf (B4, K4), S. 70 Zwei-Wege-Experimente S. 72 Quantenobjekte S. 74 Exkurs: Die Heisenberg sche Unbestimmtheitsrelation S. 75 Exkurs: Auswirkungen der Heisenberg schen Unbestimmtheitsrelation Zusatzinhalt: S. 76 Der Tunneleffekt - beschreiben und diskutieren die Kontroverse um die Kopenhagener Deutung und den Welle-Teilchen-Dualismus (B4, K4) S. 77 Deutungen 5 Summe Elektrodynamik: Energieversorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren Kapitel: Energieversorgung und Energietransport 5 Wandlung von mechanischer in elektrische Energie: Elektromagnetische Induktion Induktionsspannung Die Schülerinnen und Schüler - definieren die Spannung als Verhältnis von Energie und Ladung und bestimmen damit Energien bei elektrischen Leitungsvorgängen (UF2), - erläutern am Beispiel der Leiterschaukel das Auftreten einer Induktionsspannung durch die Wirkung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger (UF1, E6), - bestimmen die relative Orientierung von Bewegungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeldrichtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe der Drei-Finger-Regel (UF2, E6), - werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit einem Messwert-erfassungssystem gewonnen wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen aus (E2, E5), S. 82 Energie bei elektrischen Vorgängen S. 83 Experiment: Erzeugung einer Induktionsspannung an einer Leiterschaukel S. 85 Elektrische Spannung durch Magnetfelder S. 84/86 Methoden: Einsatz von Messwerterfassungssystemen I/II S. 87 Methoden: Induktionsspannung und Differenzialrechnung 31

32 4 Lenz sche Regel - erläutern anhand des Thomson schen Ringversuchs die Lenz sche Regel (E5, UF4), - bewerten bei technischen Prozessen das Auftreten erwünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme (B1) S. 88 Experiment: Der Thomson sche Ringversuch S. 89 Das Lenz sche Gesetz S. 91 Wirbelströme 4 Technisch praktikable Generatoren: Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen - führen Induktionserscheinungen an einer Leiterschleife auf die beiden grundlegenden Ursachen zeitlich veränderliches Magnetfeld bzw. zeitlich veränderliche (effektive) Fläche zurück (UF3, UF4), - erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Aufbauten und Ergebnisse von Experimenten im Bereich der Elektrodynamik jeweils sprachlich angemessen und verständlich (K3), - erläutern das Entstehen sinusförmiger Wechselspannungen in Generatoren (E2, E6), S. 92 Experiment: Leiterschleifen im Magnetfeld S. 93 Wechselspannung und Wechselstrom S. 95 Methoden: Mathematische Beschreibung der Wechselspannung 5 Nutzbarmachung elektrischer Energie durch Transformation Transformator - ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Spannung und Stromstärke beim Transformator (UF1, UF2), - geben Parameter von Transformatoren zur gezielten Veränderung einer elektrischen Wechselspannung an (E4), - führen Induktionserscheinungen an einer Leiterschleife auf die beiden grundlegenden Ursachen zeitlich veränderliches Magnetfeld bzw. zeitlich veränderliche (effektive) Fläche zurück (UF3, UF4), S. 97 Experiment: Messungen am Transformator S. 98 Der Transformator S. 99 Exkurs: Anwendungen des Transformators Elektrodynamik: Energieversorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren Kapitel: Energieversorgung und Energietransport 4 Energieerhaltung Ohm sche Verluste - verwenden ein physikalisches Modellexperiment zu Freileitungen, um technologische Prinzipien der Bereitstellung und Weiterleitung von elektrischer Energie zu demonstrieren und zu erklären (K3), - bewerten die Notwendigkeit eines geeigneten Transformierens der Wechselspannung für die effektive Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen (B1), - zeigen den Einfluss und die Anwendung physikalischer Grundlagen in Lebenswelt und Technik am Beispiel der Bereitstellung und Weiterleitung elektrischer Energie auf (UF4), - beurteilen Vor- und Nachteile verschiedener Möglichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen (B2, B1, B4) - recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungen historische Vorstellungen und Experimente zu Induktionserscheinungen (K2), S. 100 Experiment: Modellexperiment zu Freileitungen S. 101 Transport und Verteilung elektrischer Energie S. 103 Exkurs: Einsatz von Transformatoren S. 102 Exkurs: Anfänge der elektrischen Energieversorgung S. 107 Aufgaben 32