Schweizer Gymnasium. 1. Einleitung. 2. Unterrichtsorganisation. 3. Allgemeine Bildungsziele. Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik

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1 Schuljahr 2018/19 Fach Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik 1. Einleitung 2. Unterrichtsorganisation Stundendotation 1. Klasse 2. Klasse 3. Klasse 4. Klasse 5. Klasse 6. Klasse./../../ Allgemeine Bildungsziele Die Schülerinnen und Schüler erhalten einen vertieften Einblick in die Physik als Naturwissenschaft und in exemplarische Anwendungen der Mathematik. Der Unterricht im Schwerpunktfach PAM fördert die Fähigkeit zur Abstraktion und zum mathematisch-logischen Denken. Zudem schult er die allgemeinen Grundlagen, Fertigkeiten und Haltungen, die für die anschliessenden Ausbildungsgänge in Naturwissenschaft und Technik, insbesondere auch der Ingenieurdisziplinen, wichtig sind.

2 5. Richtziele 5.1. Grundkenntnisse Grundkenntnisse: Die Kenntnisse und Fertigkeiten basieren auf jenen des Grundlagenfachs. Darüber hinaus werden folgende Kenntnisse und Fertigkeiten erworben: Theorien und Modelle zum Erklären und Begreifen der Wirklichkeit bewusst einsetzen. Einblicke in verschiedene technische Gebiete wie die moderne Kommunikation, die medizinische Diagnostik u.a. gewinnen. Erworbenes Wissen zum Lösen von neuen Fragestellungen anwenden. Sachverhalte in verschiedenen Darstellungsformen (sprachlich, grafisch, symbolisch, mathematisch) beschreiben und die Fachsprache angemessen verwenden können. Fachmethodische Fertigkeiten wie Experimente konzipieren, durchführen und auswerten, Messungen vornehmen, Gültigkeitsgrenzen reflektieren und verfeinern. Einfache Probleme mit Differenzialgleichungen formulieren und lösen können. Verwendung moderner Technologien sowohl beim Wissenserwerb als auch bei der Durchführung und Auswertung von Experimenten Grundfertigkeiten Die Schülerinnen und Schüler des Schwerpunktfaches sollen grundlegende Fertigkeiten und Kenntnisse durch selbstständiges Üben verfestigen, wissenschaftliche Arbeit mittels Beobachtung, Messung, Experiment und Vergleich mit Modellvorstellungen nachvollziehen und Problemlösestrategien für komplexe Fragestellungen entwickeln und mit Ausdauer anwenden. 2

3 Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik 4. Klasse 4 Lektionen Lerngebiete und Inhalte Fachliche Lernziele bzw. Kompetenzen Querverweise für den interdisziplinären Unterricht Bezüge zu basalen fachlichen Kompetenzen für allgemeine Studierfähigkeit in Erstsprache Deutsch und Mathematik Vektorrechnung Koordinatensysteme Anwendung der Trigonometrie auf physikalische Probleme Bewegungsgleichungen Matrizen, Abbildung mit Matrizen Mechanik des Kreisels Strömung Druck Luftwiderstand Gesetz von Bernoulli Fachbereich: Mathematische Beschreibung von Bewegungen im Raum Vektorrechnung und Trigonometrie auf physikalische Probleme anwenden können Bewegungsgleichungen für einfache Probleme der Mechanik selbstständig aufstellen können Unterschiedliche Koordinatensysteme sinnvoll anwenden können Die zu einer linearen Abbildung gehörende Abbildungsmatrix bestimmen können. Eigenwerte und Eigenvektoren einer Matrix bestimmen können. Kennen weiterer Anwendungsmöglichkeiten von Matrizen. Fachbereich: Grundlagen der Aerodynamik Grundlagen der Aerodynamik verstehen und anwenden können Anwendungen des Gesetzes von Bernoulli verstehen und berechnen können Vektoren, trigonometrische Funktionen Matrizen zum Lösen von Gleichungssystemen Physik: Kraftvektoren, Geschwindigkeitsvektoren Physik G3 Geographie: Luftströmungen In Geometrie (2.2.b) Lernstation Matrizenrechnung

4 Lerngebiete und Inhalte Fachliche Lernziele bzw. Kompetenzen Querverweise für den interdisziplinären Unterricht Bezüge zu basalen fachlichen Kompetenzen für allgemeine Studierfähigkeit in Erstsprache Deutsch und Mathematik Relativistische Kinematik Lorentz-Transformation Relativistische Dynamik Auf- und Entladevorgang eines Kondensators Systemgleichungen, numerische Lösungsverfahren Fachbereich: Einführung in die spezielle Relativitätstheorie Ansätze und Resultate der Relativitätstheorie selbstständig erläutern können Fachbereich: Dynamische Systeme Lösen komplexer Systemgleichungen Physik: Schwingkreis In Geometrie (2.2.b) Aktiv zuhören und einem Vortrag inhaltlich folgen Die Thematik eines Textes erkennen Beherrschen des sprachlichen Regelsystems Lernstation Relativitätstheorie 4

5 Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik 5. Klasse 5 Lektionen Lerngebiete und Inhalte Fachliche Lernziele bzw. Kompetenzen Querverweise für den interdisziplinären Unterricht Bezüge zu basalen fachlichen Kompetenzen für allgemeine Studierfähigkeit in Erstsprache Deutsch und Mathematik Darstellen von Daten, Statistik (Mittelwerte, Standardabweichung, Verteilungen,...), Regression Messfehler Planen und Auswerten von Experimenten Folgen und Reihen Taylorreihen, Fourierreihen Zahlensysteme (Dual- Penta- und Hexadezimalsystem) Fachbereich: Messen und Auswerten Die zu einer Datenreihe gehörenden Kennzahlen verstehen und berechnen können. Einen Datensatz in geeigneter Weise graphisch darstellen können. Diagramme interpretieren können. Die Methode der kleinsten Quadrate erklären und damit von Hand die Gleichung einer Regressionsgerade bestimmen können. Komplexere Regressionen mit Hilfe des GTR durchführen können. Experimente eigenständig planen und auswerten können. Den Reihenbegriff verstehen und anwenden können. Mit komplexen Zahlensystemen umgehen können. Statistik ICT Statistik (2.2.d) Texte planen und strukturieren Texte inhaltlich anreichern mithilfe quellenkritischer Recherchen Texte effizient und systematisch verschriftlichen Texte überarbeiten und formal wie inhaltlich optimieren Lernstation Planen und Auswerten von Experimenten 5

6 Prinzip der Komplexen Zahlen Grundrechenarten Gausssche Zahlenebene Normalform, Polarform, Exponentialform Fraktale Schwingungen Fachbereich: Komplexe Zahlen Die Grundrechenarten der komplexen Zahlen beherrschen können. Die unterschiedlichen Darstellungsformen ineinander umrechnen können. Die geometrische Bedeutung der komplexen Zahlen verstehen können. Die vielfältige Bedeutung in vielen Bereichen kennen. Algebraische Operationen, Geometrie Biologie: Ähnlichkeit in der Natur Lösbarkeit quadratischer Gleichungen In Geometrie (2.2.b) Die Thematik eines Textes erkennen Beherrschung des sprachlichen Regelsystems Funktionen mit mehreren Variablen Mehrdimensionale Kurvendiskussion Anwendung in der Physik (Ortskurven, Wellengleichung) Theorie Differentialgleichungen Lösungsmethoden für einfache DGLs Differentialgleichungen in der Physik Fachbereich: Analysis mehrerer Variabler Mit Begriffen wie Stetigkeit und (partieller) Differenzierbarkeit umgehen können. Differentialrechnung Eine mehrdimensionale Kurvendiskussion durchführen können. Verstehen des Zusammenhangs von mathematischer Theorie und physikalischer Anwendung. stellen Beziehungen zwischen Begriffen her- Erkennen, Benennen und Lösen unterschiedlicher Typen von gewöhnlichen Differentialgleichungen. Verstehen des Zusammenhangs von mathematischer Theorie und physikalischer Anwendung der DGLs. Integralrechnung Physik: Schwingungsgleichung Aktive Gestaltung und Reflexion von Kommunikationssituationen 6

7 Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik 6. Klasse 5 Lektionen Lerngebiete und Inhalte Fachliche Lernziele bzw. Kompetenzen Querverweise für den interdisziplinären Unterricht Bezüge zu basalen fachlichen Kompetenzen für allgemeine Studierfähigkeit in Erstsprache Deutsch und Mathematik Grundlagen: Kondensator und Spule Schwingkreis Dipol Wellenausbreitung Interferenz von Wellen Fachbereich: Elektromagnetische Wellen Das komplexe Verhalten in einem Schwingkreis Physik: Optik, Elektromagnetismus verstehen und interpretieren können. Die Abstrahlcharakteristik eines Sendedipols kennen. Verstehen von Interferenz als Grundcharakteristikum von Wellen Beziehungen zwischen Begriffen her- Interferenzmuster berechnen können. stellen Lernstation Elektromagnetischer Schwingkreis Beispiele für Differentiale in der Physik Differentiation vektorieller Grössen Integralrechnung in der Physik Fachbereich: Differentialrechnung in der Physik Den Zusammenhang zwischen physikalischen Funktionen erkennen und anwenden können. Die Anwendung der Differential- und Integralrechnung auf Beispiele der Physik verstehen und anwenden können Physik: Bewegungsgleichungen Differentiale und Integrale 7

8 Strahlung, Atome Elementarteilchen Kernphysik Einführung in die Quantenmechanik Halbleiterphysik Prinzip der Komplexen Zahlen Grundrechenarten Gausssche Zahlenebene Normalform, Polarform, Exponentialform Fraktale Schwingungen Fachbereich: Teilchenphysik Kennen der Anwendungsgebiete ionisierender Strahlung Verstehen der Kernkräfte als fundamentale Kräfte und ihre Auswirkung. Verstehen die Prozesse des Kernzerfalls, der Kernspaltung und der Kernfusion und deren Bedeutung. Die Schüler wissen um die fundamentale Bedeutung der Quanten in der Physik. Verstehen die Ansätze der Quantenmechanik und deren Wirkungen. Erkennen der Grenzen der Vorstellung. Verstehen und Anwenden von Halbleiter-Eigenschaften Fachbereich: Komplexe Zahlen Die Grundrechenarten der komplexen Zahlen beherrschen können. Die unterschiedlichen Darstellungsformen ineinander umrechnen können. Die geometrische Bedeutung der komplexen Zahlen verstehen können. Die vielfältige Bedeutung in vielen Bereichen kennen. Biologie Physik: Kernphysik, Atomphysik Algebraische Operationen, Geometrie Biologie: Ähnlichkeit in der Natur Lösbarkeit quadratischer Gleichungen Statistik (2.2.d.) In Geometrie (2.2.b) Die Thematik eines Textes erkennen Beherrschung des sprachlichen Regelsystems 8