Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg

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1 Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg Schulversuch /231 vom 17. September 2009 Lehrplan für das Berufskolleg Einjähriges Berufskolleg zum Erwerb der Fachhochschulreife gewerbliche Richtung Technische Physik Schuljahr 1 Der Lehrplan tritt mit Wirkung vom 1. August 2009 in Kraft.

2 2 Technische Physik Vorbemerkungen Die Ausbildung am einjährigen Berufskolleg zum Erwerb der Fachhochschulreife soll, aufbauend auf einem mittleren Bildungsabschluss und einer abgeschlossenen Berufsausbildung, durch allgemeinbildenden und fachtheoretischen Unterricht zum Studium an einer Fachhochschule qualifizieren. Im Fach Technische Physik wird das technische und physikalische Grundwissen, das die Schülerinnen und Schüler während ihrer Schul- und Berufsaufbildung sowie bei ihrer praktischen Tätigkeit erworben haben, vertieft und in theoretischer und mathematischer Hinsicht erweitert. Die Schülerinnen und Schüler werden so in die Lage versetzt, physikalische Modelle und Erkenntnisse auf technische Systeme und Problemstellungen zu übertragen. Aufgrund der hohen Bedeutung der Mathematik in der Physik ist eine enge zeitliche und inhaltliche Abstimmung mit dem Fach Mathematik notwendig. Durch die mathematische Darstellung physikalischer Modelle und Problemlösungen wird das Abstraktionsvermögen der Schülerinnen und Schüler verbessert. Die Inhalte des vorliegenden Lehrplans sind mit denjenigen der Fächer Grundlagen der Technik im Technischen Berufskolleg I und Technische Physik im Technischen Berufskolleg II abgestimmt, da diese beiden Berufskollegs zu derselben Fachhochschulreife-Prüfung führen wie das Einjährige Berufskolleg zum Erwerb der Fachhochschulreife. Außerdem besteht eine Abstimmung mit dem Lehrplan für Technische Physik im ersten Jahr der Technischen Oberschule, da Schülerinnen und Schüler mit einem qualifizierten Fachhochschulreifeabschluss in das zweite Ausbildungsjahr der Technischen Oberschule aufgenommen werden können. Die im Lehrplan angegebenen Stundenzahlen dienen den unterrichtenden Kolleginnen und Kollegen als Hinweis für die Tiefe, in der die Lehrplaneinheiten behandelt werden sollen.

3 Technische Physik 3 Lehrplanübersicht Schuljahr Lehrplaneinheiten Zeitrichtwert Gesamtstunden Seite 1 Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) Grundlagen der Mechanik Kreisbewegungen Impuls und Stoßprozesse Elektrische und magnetische Felder Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und 16 8 magnetischen Feldern 6 Elektromagnetische Induktion Mechanische Schwingungen Wahlthemen Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung

4 4 Technische Physik

5 Technische Physik 5 Schuljahr 1 Zeitrichtwert Handlungsorientierte Themenbearbeitung (HOT) 10 Die Schülerinnen und Schüler erkennen durch eigene Experimente und Simulationen am Computer den Bezug des Unterrichtsstoffs zu ihrer Alltags- und Berufswelt. Gegenseitige Hilfe der Schülerinnen und Schüler gleicht unterschiedliche Eingangsniveaus aus, fördert soziale Fähigkeiten und dient dem Aufbau der Klassengemeinschaft. Je nach Ausstattung und Profil der Schule und unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte werden geeignete Themen aus den nachfolgenden Lehrplaninhalten für die selbstständige Arbeit und Präsentation der Schülerinnen und Schüler ausgewählt. 1 Grundlagen der Mechanik 44 Die Schülerinnen und Schüler definieren und verknüpfen die physikalischen Größen der Mechanik zunächst sprachlich, dann auch mathematisch qualitativ und quantitativ miteinander. Sie lernen, die von ihnen beobachteten und untersuchten Vorgänge mit den Mitteln der Fachsprache und der Mathematik zu beschreiben. Ausgehend von der Modellierung beispielhaft betrachteter Vorgänge und Systeme und aufbauend auf dem Vorwissen der Schülerinnen und Schüler wird das Modell des Massenpunktes entwickelt. Kräfte physikalische Größen und deren Einheiten Kraftmessung Masse und Gewichtskraft Kräftegleichgewicht Bedeutung des Schwerpunkts Wechselwirkungsgesetz Addition mehrerer Kräfte Kräftezerlegung Haft- und Gleitreibung Hooke'sches Gesetz Unterlagskräfte F U, Seilkräfte Zeichnerisch und rechnerisch bei beliebigen Winkeln durch Komponentenzerlegung Schiefe Ebene F R = f R F U

6 6 Technische Physik Kinematik und Dynamik eines Massenpunktes Bezugssysteme Ort, Zeit, Strecke, Zeitintervall physikalische Definition und mathematische Beschreibung einfacher Bewegungsformen (gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegung) Grundgesetz der Mechanik Fall- und Wurfbewegungen Überlagerungsprinzip für Bewegungen Der Energieinhalt eines Systems Energieformen Lageenergie Bewegungsenergie Federspannenergie Energieerhaltung Die Arbeit als Energiedifferenz Leistung und Wirkungsgrad s-t-, v-t-, a-t-diagramme für Bewegungen mit beliebigen Anfangsbedingungen einschließlich der Bremsbewegung zeichnen, ihre Aussage verstehen, sprachlich darlegen und rechnerisch r umsetzen können Fres = m a r Auch schiefer Wurf Nicht dem einzelnen Körper, sondern dem physikalischen System als der Zusammenfassung miteinander wechselwirkender Körper wird ein gewisser Energieinhalt zugeschrieben. Dieser wird durch Beobachtung und Messung der sich in Abhängigkeit vom Energieinhalt ändernden physikalischen Größen des Systems messbar. Energiebilanz unter Berücksichtigung der Reibung mit Ausblick auf den allgemeinen Energieerhaltungssatz Arbeit als Fläche im F-s-Diagramm 2 Kreisbewegungen 10 Die Schülerinnen und Schüler beherrschen die Kinematik und die Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung. Sie sind in der Lage, physikalische bzw. technische Problemstellungen im Zusammenhang mit der Kreisbewegung zu lösen. Kinematik der gleichförmigen Kreisbewegung eines Massepunktes Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung Bewegungen eines Körpers auf kreisförmiger Bahn Bogenmaß, Bahngeschwindigkeit, Winkelgeschwindigkeit Zentripetalbeschleunigung a z Zentripetalkraft F z Looping und Kurvenfahrt, die überhöhte Kurve mit Reibung muss nicht behandelt werden

7 Technische Physik 7 3 Impuls und Stoßprozesse 10 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung des Impulses als Erhaltungsgröße mit Vektorcharakter bei der Wechselwirkung zwischen den unterschiedlichen Bestandteilen eines Systems oder zwischen verschiedenen Systemen. Selbst bei komplexen Wechselwirkungen können die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Energieerhaltungssatzes und des Impulserhaltungssatzes vom Anfangszustand auf den Endzustand und umgekehrt schließen. Die Wechselwirkung innerhalb eines Systems und zwischen Systemen Stoßprozesse Impuls als Erhaltungsgröße Energie- und Geschwindigkeitsbetrachtungen bei unelastischen, elastischen und realen zentralen Stößen Impulsaustausch bei Wechselwirkung ausgehend vom newton'schen Wechselwirkungsgesetz 4 Elektrische und magnetische Felder 36 Mit dem Feldbegriff wird ein übergreifendes physikalisches Modell geschaffen. Die Schülerinnen und Schüler verbinden mithilfe von Analogiebetrachtungen Problemstellungen aus verschiedenen physikalischen Gebieten und bearbeiten sie mit demselben Formalismus. Die Schülerinnen und Schüler lernen mit Kondensator und Spule wichtige Bauteile elektrischer Schaltungen kennen. Grundlagen des elektrischen Stromkreises Stromstärke, elektrische Ladung, Spannung, elektrischer Widerstand, elektrische Energie und Leistung, Wirkungsgrad die Gesetze des verzweigten Stromkreises Reihen- und Parallelschaltung Elektrisches Feld elektrische Feldstärke, elektrische Spannung Flächenladungsdichte, Grundgleichung der Elektrostatik Kondensator Energie des geladenen Kondensators Coulomb'sches Gesetz Ohm'sches Gesetz Spezifischer Widerstand Nur einfache gemischte Schaltungen Reibungselektrizität, Ladungsarten, Ladungserhaltung, Kraftwirkungen zwischen ruhenden geladenen Körpern, Influenz, Polarisation, Feldlinienbilder Beschreibung des elektrischen Feldes mit den Begriffen Kraft, Probeladung und Energie Q E A = ε 0 Kapazität als Ladungsspeicherfähigkeit Kapazität des Plattenkondensators, elektrische Feldkonstante, Einfluss von Materie im elektrischen Feld, Dielektrizitätszahl Elektrisches Feld als Träger der Energie

8 8 Technische Physik Magnetisches Feld Kraft des Magnetfeldes auf den stromdurchflossenen Leiter magnetische Flussdichte Lorentzkraft Dauermagnet, Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierbare Stoffe, Magnetfelder stromdurchflossener Leiter, Feldlinienbilder In Abhängigkeit von der Orientierung zum Feld Magnetfeld im Inneren einer langen Zylinderspule, magnetische Feldkonstante, Einfluss der Materie auf die magnetische Flussdichte Kraft auf den bewegten Ladungsträger als Ursache für die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter 5 Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern 16 Die Schülerinnen und Schüler wenden die Gesetze der newtonschen Mechanik übergreifend an. Sie lernen grundlegende Versuche der Teilchenphysik und deren Anwendungen in Forschung, Technik und Medizin kennen. Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern Beschleunigung von geladenen Teilchen im elektrischen Feld Ablenkung von bewegten geladenen Teilchen im homogenen elektrischen Feld Ablenkung von geladenen Teilchen im homogenen magnetischen Feld Anwendung Glühelektrischer Effekt m (v2 v1 ) = U q Phänomene bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit v 0 E r Nur v 0 B r Spezifische Ladung, Teilchenbeschleuniger, Geschwindigkeitsfilter, Massenspektrometer 6 Elektromagnetische Induktion 18 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die enge Verbindung elektrischer und magnetischer Felder. Sie verstehen die physikalischen Grundlagen für die Bereitstellung elektrischer Energie. Elektromagnetische Induktion Induktion durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld Induktion durch Flächenänderung Induktion durch Änderung der magnetischen Flussdichte allgemeines Induktionsgesetz Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung Nur v B v Transformator Magnetischer Fluss, Lenz'sche Regel, Generator

9 Technische Physik 9 7 Mechanische Schwingungen 10 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass Schwingungen eine charakteristische Gruppe der in Natur und Technik vorkommenden Bewegungsformen sind. Sie können Schwingungen beschreiben, kennen das Modell der harmonischen Schwingung und können es anwenden. Grundbegriffe zur Beschreibung mechanischer Schwingungen Modell des harmonischen Oszillators Periodische Bewegung, Schwingungsdauer, Frequenz, Elongation, Amplitude, Rückstellkraft, Energieumwandlung Federpendel Differentialgleichung und Bewegungsgesetze der harmonischen Schwingung Beschränkung auf s(t) = ŝ cos( ω t) s(t) = ŝ sin( ω t) oder 8 Wahlthemen 56 Die Schülerinnen und Schüler erweitern durch die Wahlthemen ihren physikalischen Horizont. Durch eigenverantwortliches Lernen in kleinen Gruppen verbessern sie Teamfähigkeit und Methodenkompetenz. Mögliche Wahlthemen sind: Rotationsbewegungen starrer Körper Statik ausgedehnter Körper Wechselstromlehre Optik Thermodynamik Physik der Atmosphäre Strömungsphysik Atom- und Kernphysik Festkörperphysik Relativitätstheorie Quantenphysik Astronomie historische und philosophische Aspekte der Physik mathematische Methoden in der Physik Je nach Interesse der Schülerinnen und Schüler und unter Berücksichtigung des speziellen Profils der Schule werden an geeigneter Stelle einzelne Wahlthemen oder Teile davon in den Unterricht aufgenommen.

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