VORSCHLAG FÜR EINEN SCHULINTERNEN LEHRPLAN PHYSIK

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1 Bezirksregierung Düsseldorf Fachaufsicht Physik LRSD Stirba VORSCHLAG FÜR EINEN SCHULINTERNEN LEHRPLAN PHYSIK INHALTSFELDER IM GRUNDKURS UND IM LEISTUNGSKURS- VORSCHLAG EF 1 Mechanik Q1.1 2 Quantenobjekte Q1.2 3 Elektrodynamik Q2.1 4 Strahlung und Materie Q2.2 5 Relativität von Raum und Zeit Q1 2 Relativitätstheorie Q1 3 Elektrik Q2 4 Quantenphysik Q2 5 Atom-,Kern-, und Elementarteilchenphysik 2 1

2 EXPERIMENTE IM GRUNDKURS EINFÜHRUNGSPHASE-VORSCHLAG EF Mechanik Experimente zu Kräfte und Bewegungen Energie und Impuls Gravitation Schwingungen und Wellen 3 EXPERIMENTE IM GRUNDKURS Q1.1 Quantenobjekte 1 Millikanversuch 2 Elektronenbeugung 3 Fadenstrahlrohr 4 Doppelspalt 5 Gitter 6 Photoeffekt 7 Wellenwanne Q1.2 Elektrodynamik 8 Leiterschaukel 9 Leiterschleife 10 Transformator 11 Thomsonscher Ringversuch 12 Generator 13 Oszilloskopoder Messwerterfassungssystem 14 Modellexperiment zu Freileitungen 4 2

3 EXPERIMENTE IM GRUNDKURS Q2.1 Strahlung und Materie 15 Geiger-Müller-Zählrohr 16 Absorptionsexperimente 17 Linienspektren 18 Franck-Hertz-Versuch 19 Charakteristische Röntgenspektren 20 Flammenfärbung 21 Sonnenspektrum Q2.2 Relativität von Raum und Zeit 22 Michelson-Morley- Experiment 23 Lichtuhr 24 Myonenzerfall 25 Zyklotron 5 EXPERIMENTE IM LEISTUNGSKURS Q1 Relativitätstheorie 1 Michelson-Morley- Experiment 2 Lichtuhr 3 Myonenzerfall 4 Bertozzi-Versuch Q1 Elektrik 5 Elektrostatik, Influenz 6 Kondensator, Spule 7 Elektronenstrahlröhre 8 Induktion, Lenz sche Regel 9 Schwingkreis 10 Hertz scher Dipol 11 Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz z.b. mit Mikrowellen 12 Wien-Filter 13 Hall-Effekt 14 Zyklotron 6 3

4 EXPERIMENTE IM LEISTUNGSKURS Q1 Elektrik 15 Massenspektrometer 16 Erzeugung einer Wechselspannung 17 Interferenz am Doppelspalt und Gitter 7 EXPERIMENTE IM LEISTUNGSKURS Q2 Quantenphysik 18 Photoeffekt 19 Röntgenstrahlung Röntgenspektrum 20 Elektronenbeugung Q2 Atom-,, Kern-und Elementarteilchenphysik 21 Ablenkung von Strahlung im Magnetfeld 22 Absorptionsexperimente 23 Rutherford scher Streuversuch 24 Linienspektren 25 Geiger-Müller Zählrohr, Halbleiterdetektor 26 Franck-Hertz-Versuch 27 Experimentelle Bestimmung von Halbwertszeiten 8 4

5 SCHULINTERNER LEHRPLAN AUSZUG GRUNDKURS-VORSCHLAG Inhaltsfeld Quantenobjekte Kontext und Leitfrage Erforschung des Photons Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben und erklärt werden? Zeitbedarf: 14 Ustd. Inhaltliche Schwerpunkte Photon (Wellenaspekt) Kompetenzschwerpunkte E2 E5 K3 Erforschung des Elektrons Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden? Zeitbedarf: 15 Ustd. Elektron (Teilchenaspekt) UF1 UF3 E5 E6 Photonen und Elektronen als Quantenobjekte Kann das Verhalten von Elektronen und Photonen durch ein gemeinsames Modell beschrieben werden? Zeitbedarf: 5 Ustd. Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Welleaspekt) Quantenobjekte und ihre Eigenschaften E6 E7 K4 B4 9 SCHULINTERNER LEHRPLAN AUSZUG GRUNDKURS-VORSCHLAG Kontext: Erforschung des Elektrons Inhalt (Ustd Ustd.. à 45 min) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler Experiment / Medium Kommentar Beugung und veranschaulichen mithilfe der Interferenz Wellenwanne qualitativ unter Lichtwellen- Verwendung von Fachbegriffen auf länge, der Grundlage des Huygens schen Lichtfrequenz Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen, Kreiswellen, sowie die Phänomene Beugung, ebene Interferenz, Reflexion und Brechung Wellen, (K3), Beugung, bestimmen Wellenlängen und Brechung Frequenzen von Licht mit Doppelspalt (7 Ustd.) und Gitter(E5), Quantelung demonstrieren anhand eines Photoeffekt der Energie Experiments zum Photoeffekt den Hallwachsversuch von Licht, Quantencharakter von Licht und Austritts- bestimmen den Zusammenhang von Photozelle arbeit Energie, Wellenlänge und Frequenz (7 Ustd.) von Photonen sowie die Austrittsarbeit der Elektronen (E5, E2), 14 Ustd. Summe Doppelspalt und Gitter, Wellenwanne Sehr schön sichtbare Beugungsphänomene finden sich vielfach bei Meereswellen (s. Google-Earth) Ausgangspunkt: Beugung bei Licht Modellbildung mit Hilfe der Wellenwanne (auch als Schülerpräsentation) (als Beispiel verfügbar) Feld-und Spannungsbegriff sowie Energie des Lichts formalisieren, intuitiv erfahren und plausibel machen (als Beispiel verfügbar) 10 5

6 SCHULINTERNER LEHRPLAN AUSZUG LEISTUNGSKURS-VORSCHLAG Qualifikationsphase (Q1) LEISTUNGSKURS Inhaltsfeld Relativitätstheorie Kontext und Leitfrage Inhaltliche Schwerpunkte Satellitennavigation Zeitmessung ist nicht Konstanz der Lichtgeschwindigkeit absolut Problem der Gleichzeitigkeit Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit? Zeitbedarf: 4 Ustd. Höhenstrahlung Zeitdilatation und Längenkontraktion Warum erreichen Myonen aus der oberen Atmosphäre die Erdoberfläche? Zeitbedarf: 4 Ustd. Teilchenbeschleuniger - Warum Teilchen aus Relativistische Massenzunahme dem Takt geraten Energie-Masse-Beziehung Ist die Masse bewegter Teilchen konstant? Zeitbedarf: 8 Ustd. Satellitennavigation Zeitmessung unter Der Einfluss der Gravitation auf die dem Einfluss von Geschwindigkeit und Zeitmessung Gravitation Beeinflusst Gravitation den Ablauf der Zeit? Zeitbedarf: 4 Ustd. Das heutige Weltbild Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie Problem der Gleichzeitigkeit zur Erklärung unserer Welt? Zeitdilatation und Längenkontraktion Zeitbedarf: 4 Ustd. Relativistische Massenzunahme Energie-Masse-Beziehung Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung Kompetenzschwerpunkte UF2 Auswahl E6 Modelle E5 Auswertung K3 Präsentation UF4 Vernetzung B1 Kriterien K3 Präsentation B4 Möglichkeiten und Grenzen 11 SCHULINTERNER LEHRPLAN AUSZUG LEISTUNGSKURS-VORSCHLAG Inhaltsfeld: Relativitätstheorie Kontext: Satellitennavigation Zeitmessung ist nicht absolut Inhalt Kompetenzen (Ustd Ustd.. à 45 min) Die Schülerinnen und Schüler Experiment / Medium Kommentar Konstanz der Licht- geschwindigkeit und Problem der Gleichzeitigkeit Inertialsysteme Relativität der Gleichzeitigkeit (4 Ustd.) begründen mit dem Ausgang des Michelson-Morley-Experiments die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (UF4, E5, E6), erläutern das Problem der relativen Gleichzeitigkeit mit in zwei verschiedenen Inertialsystemen jeweils synchronisierten Uhren (UF2), begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze für Geschwindigkeiten von Objekten Auswirkungen auf die additive Überlagerung von Geschwindigkeiten (UF2). Experiment von Michelson und Morley (Computersimulation) Relativität der Gleichzeitigkeit (Video / Film) Ausgangsproblem: Exaktheit der Posi- tionsbestimmung mit Navigationssystemen systemen (z.b. über vorbereitenden Hausaufgabe anhand von Internetinformationen zur Satellitennavigation) Wegen der Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit für die (spezielle) Relativitätstheorie wird das Experiment von Michelson und Morley (in einer Com- putersimulation) im Unterricht behandelt. Das Additionstheorem für relativistische tische Geschwindigkeiten braucht nicht hergeleitet zu werden (wie dies etwa anhand der Lorentz- Transformationsgleichungen möglich ist), sondern kann ergänzend angegeben werden. 4 Ustd. Summe 12 6

7 STRAHLUNG UND MATERIE GRUNDKURS Kontext: Elementarteilchenphysik - Forschung am CERN und DESY erläutern mithilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phänomene der Kernphysik (UF3, E6), erklären an einfachen Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell (UF1). 13 ELEMENTARTEILCHENPHYSIK LEISTUNGSKURS Kontext: Forschung am CERN und DESY Elementarteilchen und ihre fundamentalen Wechselwirkungen systematisieren mithilfe des heutigen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phänomene der Kernphysik (UF3), erklären an Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell mithilfe der Heisenberg schen Unschärferelation und der Energie-Masse-Äquivalenz (UF1). vergleichen das Modell der Austauschteilchen im Bereich der Elementarteilchen mit dem Modell des Feldes (Vermittlung, Stärke und Reichweite der Wechselwirkungskräfte) (E6). 14 7

8 STEIGERUNG DER ATTRAKTIVITÄT DES FACHS PHYSIK (STUDIENANFÄNGER) 15 8