Physik am HLG Leistungskurs Grundkurs Kurssequenzen EF - Q1 Q2 Fachkonferenz Physik

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1 Physik am HLG Leistungskurs Grundkurs Kurssequenzen EF - Q1 Q2 Fachkonferenz Physik

2 Unterrichtsvorhaben der Einführungsphase Inhaltsfeld Mechanik Warum all das? Wer braucht so was?? Ohne Kenntnisse der Bewegungsgesetze oder der Gravitation Wohin würde das Google Car fahren, wenn die Ingenieure und Informatiker keine Kenntnisse über Bewegungsgesetze hätten? NIRGENDWO!! Wann hätte die Raumsonde Rosetta den Kometen erreicht, wenn die Astrophysiker nicht Flugbahnen Jahre im Voraus berechnen könnten? NIE!! darum. : Kräfte und Bewegungen und Impuls Gravitation Schwingungen und Wellen Wechselwirkung Lineare Bewegungen Newton sche Gesetze, Reibungskräfte Impuls, Stoßvorgänge Zentralkraft, Kreisbewegungen Gravitationsfeld, Newton sches Gravitationsgesetz Wellenausbreitung Straßenverkehr Physik und Sport Flug in den Weltraum Astronomische Beobachtungen Lageenergie, Bewegungsenergie, Arbeit, bilanzen und Arbeit im Gravitationsfeld Eigenschwingungen und Resonanz Struktur der Materie Masse Träger für Wellen

3 Unterrichtsvorhaben der Qualifikationsphase LEISTUNGSKURS Q1 Inhaltsfeld Elektrik Im Inhaltsfeld Elektrik werden Eigenschaften elektrischer Ladungsträger und ihr Verhalten in elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Ein wichtiges Element zum Erleben physikalischer Grundlagenforschung ist in diesem Zusammenhang eine Exkursion zum Deutschen ElektronenSYnchrotron DESY in Hamburg. Weitere Schwerpunkte liegen auf den Beziehungen zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen, insbesondere auf der Beschreibung von elektromagnetischer Induktion und von elektromagnetischen Schwingungen und Wellen. Die Elektrik stellt neben der Mechanik den zweiten Teil der klassischen Beschreibung der physikalischen Natur dar. Sie liefert fundamentale Aussagen über elektrische und magnetische Sachverhalte, die in weiten Bereichen unseres täglichen Lebens vielfältige Anwendung gefunden haben und unser tägliches Leben in deutlichem Maße beeinflussen. Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Untersuchung von Elektronen Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden? 2-3-tägige Exkursion nach Hamburg: Besuch beim Deutschen ElektronenSYnchrotron DESY Aufbau und Funktionsweise wichtiger Versuchs- und Messapparaturen Wie und warum werden physikalische Größen meistens elektrisch erfasst und wie werden sie verarbeitet? Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektrischer Wie kann elektrische gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden? Physikalische Grundlagen der drahtlosen Nachrichtenübermittlung Wie können Nachrichten ohne Materietransport übermittelt werden? Elektrik Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern Elektrik Elektromagnetische Induktion Elektromagnetische Schwingungen und Wellen In diesem Themenbereich gibt es eine Menge an Experimenten. Die Exkursion zum DESY ist neben dem sozialen Aspekt: man lernt sich noch mal besser kennen auch sehr wichtig in fachlicher Hinsicht und wird im Laufe der Qualifikationsphase mehrfach aufgegriffen: - Im Inhaltsfeld Elektrik lernen wir, wie Teilchen beschleunigt und abgelenkt werden, - in der Relativitätstheorie lernen wir u. a., wie sich die Masse von Teilchen bei Beschleunigung verändert und - in der Teilchenphysik lernen wir, was man aus Beschleunigerexperimenten über den Aufbau der Materie im Kleinsten und den Kosmos im Großen erfahren kann. Fachkonferenz Physik, Helene-Lange-Gymnasium, Dortmund

4 Q1 Inhaltsfeld Relativitätstheorie Das Inhaltsfeld Relativitätstheorie umfasst inhaltliche Aspekte der speziellen Relativitätstheorie wie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation und Längenkontraktion, relativistische Massenzunahme, Äquivalenz von Masse und sowie einen Ausblick auf Grundaussagen der allgemeinen Relativitätstheorie. Dabei werden die Erkenntnisse, die wir von unserem Besuch beim DESY in Hamburg gewonnen haben, aufgegriffen und eine wichtige Rolle spielen. Die Relativitätstheorie hat Naturzusammenhänge aufgedeckt, die sich der unmittelbaren Erfahrung und der anschaulichen Vorstellung zu entziehen scheinen, die sich aber mathematisch exakt beschreiben lassen und inzwischen auch experimentell vielfältig bestätigt sind. Die Relativitätstheorie hat das Verständnis von Raum und Zeit zu Beginn des 20. Jahrhunderts und damit wesentliche Grundanschauungen der Physik revolutioniert. Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Satellitennavigation Zeitmessung ist nicht absolut Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Höhenstrahlung Relativitätstheorie Warum erreichen Myonen aus der oberen Atmosphäre Konstanz der Lichtgeschwindigkeit die Erdoberfläche? Problem der Gleichzeitigkeit Teilchenbeschleuniger Zeitdilatation und Längenkontraktion Warum Teilchen aus dem Takt geraten Relativistische Massenzunahme Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? -Masse-Beziehung Satellitennavigation Zeitmessung unter dem Einfluss Der Einfluss der Gravitation auf die von Geschwindigkeit und Gravitation Zeitmessung Beeinflusst Gravitation den Ablauf der Zeit? Das heutige Weltbild Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur Erklärung unserer Welt? Star Trek warum muss die Enterprise mit WARP-Antrieb fliegen? In diesem Themenbereich können wir nicht viel selbst experimentieren, es gibt aber interessante Filme, Simulationen, verrückte Gedankenexperimente und abgefahrene Ideen wie Raumkrümmung. Und das Beste: Viel mehr als den Satz des Pythagoras brauchen wir aus Mathe nicht. Fachkonferenz Physik, Helene-Lange-Gymnasium, Dortmund

5 Q2 Inhaltsfeld Quantenphysik Im Inhaltsfeld Quantenphysik geht es um Eigenschaften von Photonen und Elektronen als Quantenobjekte, um den Welle-Teilchen-Dualismus und seine Aufhebung durch die Wahrscheinlichkeitsinterpretation, um Abgrenzungen und Unterschiede zwischen Ideen der klassischen Physik und der Quantenphysik und um Ansätze quantenphysikalischer Atommodelle. Die Sicht auf Quantenobjekte verbindet Wellen- und Teilchenaspekt der Materie mithilfe von Wahrscheinlichkeitsaussagen. Sie stellt neben der Relativitätstheorie eine der Säulen der modernen Physik dar. Kontext und Leitfrage Erforschung des Photons / Röntgenstrahlung Besteht Licht doch aus Teilchen? Was ist Röntgenstrahlung? Erforschung des Elektrons Kann das Verhalten von Elektronen und Photonen durch ein gemeinsames Modell beschrieben werden? Die Welt kleinster Dimensionen Mikroobjekte und Quantentheorie: Was ist anders im Mikrokosmos? Inhaltsfelder, Quantenphysik Licht und Elektronen als Quantenobjekte Welle-Teilchen-Dualismus Quantenphysik und klassische Physik Q2 Inhaltsfeld Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik Das Inhaltsfeld Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik beinhaltet den Aufbau des Atoms, seiner Hülle und seines Kerns sowie den Aufbau der Materie im Kleinsten nach dem so genannten Standardmodell. Inhalte sind außerdem ionisierende Strahlung und radioaktiver Zerfall von Atomkernen sowie Kernumwandlungen durch Kernspaltung und Kernfusion. Die Behandlung von Atomund Kernphysik bietet einerseits einen Einblick in den Aufbau der Materie unter dem Aspekt des Wandels historischer Atommodelle und liefert andererseits Entscheidungsgrundlagen für die Ei n- schätzung des Für und Wider im Umgang mit Strahlung und der Nutzung von Kernenergie. Kontext und Leitfrage Inhaltsfelder, Geschichte der Atommodelle, Lichtquellen und ihr Licht Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der Materie? Physik in der Medizin (Bildgebende Verfahren, Radiologie) Wie nutzt man Strahlung in der Medizin? (Erdgeschichtliche) Altersbestimmungen Wie funktioniert die 14 C-Methode? gewinnung durch nukleare Prozesse Wie funktioniert ein Kernkraftwerk? Forschung am CERN und DESY Elementarteilchen und ihre fundamentalen Wechselwirkungen Was sind die kleinsten Bausteine der Materie? Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik Atomaufbau Ionisierende Strahlung Radioaktiver Zerfall Kernspaltung und Kernfusion Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen Fachkonferenz Physik, Helene-Lange-Gymnasium, Dortmund, 2016

6 Überblick über die Grundkurssequenz: Grundprinzipien: Orientierung an Schlüsselexperimenten. Geringerer Grad an Mathematisierung und weniger Vertiefung und innerfachliche Vernetzung als im Leistungskurs Q1: Inhaltsfeld 2, Quantenobjekte Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellenaspekt) Quantenobjekte und ihre Eigenschaften Erforschung des Elektrons Erforschung des Photons Wechselwirkung Bewegung von Ladungsträgern in homogenen E- und B-Feldern, Lorentzkraft Lichtwellenlänge, Lichtfrequenz Huygens sches Prinzip, Kreiswellen, ebene Wellen, Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz, Streuung von Elektronen an Festkörpern, de Broglie-Wellenlänge Licht und Materie bewegter Elektronen Quantelung der von Licht, Austrittsarbeit Struktur der Materie Elementarladung, Elektronenmasse Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Q1: Inhaltsfeld 3, Elektrodynamik Spannung und elektrische Induktion Spannungswandlung versorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren Wirbelströme im Alltag Wechselwirkung Elektromagnetische Induktion Induktionsspannung Transformator Lenz'sche Regel Erzeugung von sinusförmigen Wechselspannungen erhaltung Ohm'sche Verluste" Fachkonferenz Physik, Helene-Lange-Gymnasium, Dortmund, 2016

7 Q2: Inhaltsfeld 4, Strahlung und Materie Spektrum der elektromagnetischen Erforschung des Mikro- und Makrokosmos Strahlung quantelung in der Atomhülle Mensch und Strahlung Ionisierende Strahlung Forschung mit Teilchenbeschleunigern Kernumwandlung Standardmodell der Elementarteilchen Wechselwirkung Quantenhafte Emission und Absorption von Photonen Detektoren Biologische Wirkung ionisierender Strahlung (Virtuelles) Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung Konzept der Austauschteilchen vs. Feldkonzept Linienspektren, niveaus der Atomhülle, Quantelung der Dosimetrie aufnahme im menschlichen Gewebe Struktur der Materie Kern-Hülle-Modell Strahlungsarten Elementumwandlung Röntgenstrahlung Kernbausteine und Elementarteilchen Q2: Inhaltsfeld 5, Relativität von Raum und Zeit Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Navigationssysteme Zeitdilatation Teilchenbeschleuniger Veränderlichkeit der Masse -Masse Äquivalenz Wechselwirkung,, Struktur der Materie Raum und Zeit Schnelle" Ladungsträger in E- und B-Feldern Ruhemasse und dynamische Masse Fachkonferenz Physik, Helene-Lange-Gymnasium, Dortmund, 2016

8 sonst noch was? Durchschnittsergebnisse (Punkte) in den Abitur-Klausuren 2016 NRW, GY Quelle: QUA-LiS NRW Bio LK 8,8 GK 7,1 D LK 8,4 GK 8,6 E LK 9,1 GK 8,3 EW LK 8,6 GK 8,5 Mu LK 10,8 GK 11,1 M LK 9,5 GK 8,0 PH LK 9,5 GK 9,0 Ein Studium in Physik ist ideal für diejenigen, die sich nicht nur für die Auswirkungen dieser Wissenschaft interessieren, sondern auch Motivation und Begeisterung für dieses Studienfach mitbringen. Friedrich Dürrenmatt sagte einmal: Der Inhalt der Physik geht die Physiker an, die Auswirkung alle Menschen. Und genau dies, macht Physik zu einer äußerst spannenden Angelegenheit. Das Besondere, das ich in der Quantenphysik gelernt habe ist..., dass es eine Wissenschaft über Dinge gibt, die man sich nicht einmal vorstellen kann. Das ist echt cool! GK-Schüler Q2, HLG, September 2015 Wer kümmert sich um den Normalbürger und seine quantenphysikalischen Sorgen? Sheldon L. Cooper Damit dich die komplexen Inhalte nicht den Weg zum erfolgreichen Abschluss verbauen, bieten immer mehr Unis Mathe-Vorkurse an, die freiwillig, aber durchaus empfehlenswert sind. Noch vor dem eigentlichen Semesterstart geht es dort Wissenslücken an den Kragen. Physiker können in vielen Berufen arbeiten, nicht nur im naturwissenschaftlichen Bereich, auch in vielen anderen Bereichen tun sich Beschäftigungsfelder auf. So ist es kein Zufall, dass Physik-Absolventen in aller Regel kaum Probleme haben, einen Job zu finden und eine erfolgreiche Karriere hinlegen können. ( ( ) Entsprechend gut ist die Arbeitsmarktsituation für Physiker. Einen tieferen Einblick gewährt ISA - das Informationssystem Studienwahl und Arbeitsmarkt der Uni Duisburg-Essen Fachkonferenz Physik, Helene-Lange-Gymnasium, Dortmund, 2016