Vorschlag für ein Curriculum eines 2-stündigen Kurses Physik mit Schwerpunkt Quantenphysik. in den Klassenstufen 11/12 Baden-Württemberg

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1 Vorschlag für ein Curriculum eines 2-stündigen Kurses Physik mit Schwerpunkt Quantenphysik in den Klassenstufen 11/12 Baden-Württemberg unter Verwendung des Lehrbuches DORN BADER: Hinweise: Das Curriculum basiert auf dem 2004 für das allgemein bildende Gymnasium in Baden-Württemberg Das Curriculum beinhaltet sowohl das Kern- als auch ein s Schulcurriculum. Dieses Curriculum bietet einen in sich konsistenten Aufbau der Physik für einen zweistündigen Kurs, bei dem man sich auf notwendige, zentrale Themen beschränkt. Da die Lerngruppen der zweistündigen Kurse und die Schulgegebenheiten unterschiedlich sind, muss sich jede Lehrkraft auf die Situation vor Ort einstellen. Entsprechend wird die Lehrkraft den Unterricht methodisch und von der inhaltlichen Tiefe an die Lerngruppe anpassen. Da hierfür unterschiedlich viel Zeit benötigt wird, werden gegebenenfalls Abstriche von dem hier vorgeschlagenen Curriculum nötig sein. Denkbare Zeiteinteilung für dieses Curriculum: Themengebiete Unterrichtsstunden für die einzelnen Themengebiete 1. Elektrisches Feld Magnetfeld, Induktion Schwingungen Wellen Interferenzphänomene Quantenphysik Aspekte der Elementarteilchenphysik im Überblick: 2 Klausuren Summe Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 1 von 12

2 e 1. Physik als Naturbetrachtung 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik 4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik. 1. Elektrisches Feld elektrische Größen aus der Sekundarstufe I; Ladung, Stromstärke Messverstärker als Black-Box zur Ladungsmessung verwenden S.10 11, Punkt 1, 3 und 4 Wiederholung unter Beachtung des kumulativen Lernens. Zur Vorstellung des Messverstärkers als Black-Box: Es sind vertrauensbildende Maßnahmen wie auch bei anderen Blackbox- Instrumenten. Geeignet V2 S Grundlegende physikalische Größen 9. Strukturen und Analogien Elektrisches Feld elektrische Feldstärke Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch an Feldlinien) Vergleich mit Ortsfaktor g (Gravitationsfeldstärke) S. 12, Punkt 1 S. 14 S. 14, A1, A3, A4 Versuch V 1, Seite 15 im DB, qualitativ; Ergebnis F q mitteilen. Quotient F/q unabhängig von q. 6 Zusammenhang zwischen Dichte σ der felderzeugenden Ladung und elektrischer Feldstärke E = S. 16 bis zweiter Merksatz ohne V 3 Zahlenwert von ε 0 mitteilen Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 2 von 12

3 e Elektrische Spannung U = W/q Quantitativer Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke im homogenen elektrischen Feld E = U/d S einschließlich Elektronenkanone S. 21, A1, A2 Einheit 1 Elektronvolt (ev) Kondensator, Kapazität C = Q/U S. 28, Punkt 1 und 2 Materie im elektrischen Feld, ε r Kapazität des Plattenkondensators C = ε 0 ε r (A/d) Werte von ε r nur mitteilen Kondensatoren in Labor und Technik S. 30, Punkt 6 Energie des elektrischen Feldes Energie eines geladenen Kondensators Energiedichte im elektrischen Feld S. 32 Punkt 1 und 2 S. 33, A1, A2 Die Besprechung der Energiedichte ist notwendig im Hinblick auf die elektromagnetische Welle und den Photoeffekt. Damit wird der Feldbegriff vertieft und verständlich. 8 Quantisierung der elektrischen Ladung, Millikanversuch S. 34 Es genügt die Schwebemethode Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 3 von 12

4 e 1. Physik als Naturbetrachtung 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik 4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik 8. Grundlegende physikalische Größen 9. Strukturen und Analogien 2. Magnetfeld, Induktion Wiederholung aus der Sekundarstufe I: Magnetfeld und Kraft auf bewegte elektrische Ladung Magnetische Flussdichte als Maß für die Stärke eines Magnetfeldes Hallsonde als Black-Box für die Messung der magnetischen Flussdichte Zusammenhang zwischen der felderzeugenden bewegten elektrischen Ladung und der magnetischen Flussdichte am Beispiel der schlanken Spule Materie im Magnetfeld B m = μ r B 0 S.44 und45 sowie, S. 46 Punkt 1 S , Punkt 1 und 2 S. 50, Punkt 4 S. 50, Punkt 5 S. 52, Spulen mit Materie S. 45 A1 bis A9 S. 47, A1, A2 Planarbeit im Sinne des kumulativen Lernens Wert von μ 0 und µ r mitteilen 9 Magnetischer Fluss Φ = B A s S. 66 Induktion und differenziell Induktion erzeugt elektrische Wirbelfelder S.67 S.69, Punkt 5 S.69, A1, A2 Die Tatsache, dass "Induktion elektrische Wirbelfelder erzeugt" wird bei der Maxwelltheorie und bei elektromagnetischen Wellen benötigt. Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 4 von 12

5 e Induktionsspannung U = B d v s ohne Änderung der Flussdichte S.69, Punkt 6 1.Abschnitt Um U = B d v s herzuleiten, benötigt man keine Lorentzkraft. Bei der Induktion gilt der Energieerhaltungssatz S.70, Punkt 1 und Punkt 2 bis Merksatz. Ringversuch V1, Seite 70, weglassen Das Induktionsgesetz bekommt ein Minuszeichen Selbstinduktion Induktivität Induktivität der langgestreckten Spule Energie des magnetischen Feldes Energie einer stromdurchflossenen Spule Energiedichte des Magnetfeldes S. 71, Punkt 3 S.71, A2 a) bis c) S.73, A1, A2 S.73, A7 S. 74 S. 77 A1, A2, A3 S. 78 S. 79, A2 Formel mitteilen 9 Elektrisches Feld, magnetisches Feld und Gravitationsfeld: Feldbegriff und Messgrößen der Felder Felder als Energiespeicher Analogien und Unterschiede Physik Bestandteil unserer Kultur S. 14, 17- Vertiefung, S. 32, S.78 siehe auch Dorn-Bader Physik 2 Baden-Württemberg; Schroedel S S. 218, S.219, Punkte A, B, C Zusammenfassender Überblick im Sinne des kumulativen Lernens Dieses Thema sollte in einem zweistündigen Kurs angesprochen werden. Hier wäre ein geeigneter Ort. Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 5 von 12

6 e 1. Physik als Naturbetrachtung 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik 4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik 7. Wahrnehmung und Messung 8. Grundlegende physikalische Größen 9. Strukturen und Analogien 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen 3. Schwingungen Harmonische mechanische Schwingungen Beispiele Federpendel, lineares Kraftgesetz F(t) = -D s(t) Zeit-Elongations-Diagramm mit Zeigerdarstellung, Periodendauer T, Frequenz f = 1/T, Amplitude Differenzialgleichung des Federpendels Lösung der Differenzialgleichung für s(0) = 0 und Herleitung der Schwingungsdauer S. 94 S. 95 S. 96 S.97 S , Punkt 1 3; S. 95, A1 S. 101, A1, A2 auf der CD Harmonische Schwingungen in Zeigerdarstellung Teil a). Zeigerdarstellung auch im Hinblick auf die Quantenphysik Auch Schüler des zweistündigen Physikkurses sollten mindestens einmal im Physikkurs eine Differenzialgleichung kennenlernen. Ein Grund dafür ist, dass sie später als Student, z.b. der Wirtschaftswissenschaften, Differenzialgleichungen begegnen werden. Vor der Besprechung des Themas sollte man Rücksprache mit dem Mathematiklehrer nehmen. 6 Allgemeinbildender Aspekt: Idealisierung der Bedingungen (z.b. reibungsfrei) erlaubt einfache mathematische Modellbildung Energiebilanz qualitativ S.98, Punkt 7 Elongationsenergie ohne Herleitung plausibel machen. Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 6 von 12

7 e Elektromagnetische Schwingungen Der Schwingkreis Vergleich mechanischer und elektromagnetischer Schwingungen mit Energiebilanzen Lösung der Differenzialgleichung in Analogie zur Lösung der Differenzialgleichung des Federpendels und Herleitung der thomsonschen Schwingungsgleichung S. 102 S. 103 S. 104, Punkt 1, erster Abschnitt bis thomsonsche Schwingungsgleichung S. 107, A1 Beim horizontalen Federschwinger wird mitgeteilt, dass die Federkonstante D = D 1 + D 2, die Elongationsenergie ½ D s 2 und die Rückstellkraft F = - D s ist. I(t) = erläutern Mathematik als Sprache der Physik S.219, Punkt D Hier sollte man den Aspekt der Mathematik für die Allgemeinbildung betonen: Gleiche mathematische Strukturen helfen beim Lösen von Problemen. 6 Weitere Aspekte bei Schwingungen Dämpfung, erzwungene Schwingungen, Resonanz (qualitativ) Mitteilung: Durch Rückkopplung lässt sich z.b. ein Schwingkreis durch periodische Energiezufuhr zu ungedämpften elektromagnetischen Schwingungen anregen. Experimente dazu sind in B2 und B3, S.105, und in V1, S.108, dargestellt Resonanz, Zungenfrequenzmesser, Teil a) Keine Differenzialgleichungen erzwungenen Schwingungen behandeln! Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 7 von 12

8 e 1. Physik als Naturbetrachtung 5. Anwendungsbezug und gesellschaftliche Relevanz der Physik 8. Grundlegende physikalische Größen 9. Strukturen und Analogien 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen 4. Wellen Lineare mechanische Querwelle Zeitliche und räumliche Darstellung einer Welle, Wellenlänge λ, Phase ϕ Längswelle Die Phase ϕ wandert mit der Geschwindigkeit c = λ f Interferenz Beobachtung: Störungen auf Wellenträgern überlagern sich ungestört Interferenz entgegenlaufender Wellen, stehende Wellen, Reflexion mechanischer Wellen Stehende Wellen mit Schallwellen Zwei Randbedingungen legen Eigenfrequenzen fest. Z.B. Eigenschwingung eines Wellenträgers der Länge l mit zwei festen Enden: l = k (λ k /2) mit k = 1,2,3,. Resonanz S. 116, 117 S Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 8 von 12 S.120 S.122, Punkt 1 S. 126, V1, V2, Bild 1 S S S. 134, Punkt 7 S S. 123 A1, A2, A3 S. 131 A1a, A1c, A2 S.135 A1, A2, A5 S137, A1 bis A5 auf der CD Wellenmaschine als Experimentiergerät, Teil a). auf der CD Zeiger erzeugen Wellen, Teil a). Die Zeigerdarstellung ist wichtig für die Quantenphysik. Die Zeigerdarstellung ermöglicht Quer- und Längswellen parallel zu behandeln. Zeigeraddition an dem Beispiel "entgegenlaufende Wellen" einführen. Unterstützung durch die Programme auf der CD Zeiger erzeugen Wellen Teil b) und c). Das Thema "zwei Randbedingungen legen Eigenfrequenzen fest ist auch wichtig für den Potentialtopf in der Quantenphysik. Film Brücke von Tacoma 18

9 e Elektromagnetische Wellen S.155 S. 155, A1 Hertz-Dipol qualitativ als elektromagnetischen Oszillator mit sehr hoher Frequenz vorstellen. Er strahlt Energie ab und hat weitreichende elektrische und magnetische Wechselfelder um sich. S. 156 Hilfreich V 2, Seite 155 Der Hertz-Dipol strahlt elektromagnetische Wellen ab. Wandernde elektrische und magnetische Felder erzeugen sich wechselseitig. Die Feldvektoren und sind dort in Phase, stehen senkrecht aufeinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. S.157 S.158, Punkt 3 S.157, A1, A2 auf der CD Hertz-Dipol Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen 1 c = ε ε μ 0 r 0 μ r Grundlagen der Maxwelltheorie, in der die Elektrodynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird: 6 1. Ladungen sind von elektrischen Feldern umgeben S Quellenfreiheit des magnetischen Feldes S Ein sich änderndes magnetisches Feld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld mit in sich geschlossenen Feldlinien. S Nicht nur ein elektrischer Strom, sondern auch ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld mit in sich geschlossenen Feldlinien. S. 45, 157 Mobiltelefon S. 167 Chancen und Risiken technischer Entwicklungen S ; 405 Dieses Thema ist auch geeignet für selbstständiges Reflektieren und anschließendem Erörtern im Plenum. Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 9 von 12

10 e 1. Physik als Naturbetrachtung 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik 4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik 7. Wahrnehmung und Messung 8. Grundlegende physikalische Größen 9. Strukturen und Analogien 5. Interferenzphänomene Interferenz mit zwei Sendern; Wegunterschied δ Interferenz beim Doppelspalt, Beugung, Huygens-Prinzip Doppelspalt mit Licht: Gleichung für das k-te Maximum sin α k = k λ/g (k = 0,1,2,..) und das k-te Minimum = (2k 1) (λ/2)/g (k = 1,2, 3, ) Wellenlängenbestimmung; Helligkeitsverteilung auf dem Schirm Doppelspaltversuch mit verschieden farbigen Lichtquellen Gitterspektren im Vergleich zum Doppelspaltspektrum qualitativ Einzelspalt qualitativ; Mitteilung der Gleichung für das Minimum k-ter Ordnung sin α k = (k λ/l) mit k = 1,2,3, S , S ohne Punkt 6 S ohne Punkt 3 V1 und V2 S. 186 S. 188, V 1 und V 2 S. 175, A1, A2 S.181, A3 S.183, A1, A2, A3 Unterstützung durch die Programme Interferenzfeld und Zwei Zentren in Wellenwanne Teil a) und Teil b) Unterstützung durch die Programme auf der CD Interferenzfeld und "Schirmbilder für Spalte und Gitter" Teil a) Gitterspektren demonstrieren; keine ausführliche Erklärung (Natriumdampflampe, Quecksilberdampflampe, Experimentierleuchte mit weißem Glühlicht). Unterstützung durch das Programm "Schirmbilder für Spalte und Gitter" Teil c) Schirmbild beim Einzelspalt mit monochromatischem Licht demonstrieren; keine ausführliche Erklärung. Unterstützung durch das Programm "Schirmbilder für Spalte und Gitter" Teil b) Die Gleichung für das Minimum 1. Ordnung beim Einzelspalt wird bei der Unbestimmtheitsrelation benötigt. 10 Licht als elektromagnetische Welle; S. 180, Punkt 1, S. 208, Punkt 1 Das elektromagnetische Spektrum S.222 Hier sind Mitteilungen notwendig. Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 10 von 12

11 e 1. Physik als Naturbetrachtung 6. Physik als ein historisch-dynamischer Prozess 11. Struktur der Materie 6. Quantenphysik Fotoeffekt Planck-Konstante h Energie elektromagnetischer Strahlung ist quantisiert. Die Energie der Quanten (Photonen) ist W = h f. Photonen haben auch Impuls p = h/λ. S und S. 268, Punkt 1 und 2 ohne Vertiefung S. 272, Punkt 1 und 2 S. 267 A1, A2, A3 S. 269 A1, A3, A5 Compton-Effekt nicht besprechen. 13. Modellvorstellungen und Weltbilder Das Photon als Quantenobjekt: Stochastisches Verhalten, Superpositionsprinzip, Knallertest, Nichtlokalität, Komplementaritätsprinzip S S. 277, A1, A3 Siehe auch Zusammenfassung auf S. 279 (ohne Röntgenphysik und Compton-Effekt). Unterstützung durch die Programme auf der CD Quantenobjekte am Doppelspalt und Zur Welcher- Weg-Frage Teil b). 14 Modelle in der Physik S. 278 Kritische, eigenständige Auseinandersetzung der Schülerinnen und Schüler mit den Texten zum Thema Modelle in der Physik. Das Elektron als Quantenobjekt, debroglie-wellenlänge λ B = h/p S. 280, Punkt 1 S. 281, Punkt 2a S. 281, A1 S. 283, A1 Elektronenbeugung im Versuch vorführen, aber λ B nicht experimentell bestimmen. Vergleich Photon - Elektron Vertiefung s. 283 ohne Bose-Einstein- Kondensat. Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 11 von 12

12 e Unbestimmtheitsrelation Δx Δp x h S.284 S.286, Philosophisches S. 287, Beispiele S.285, A1 Die Energie im Atom ist quantisiert, Franck-Hertz-Experiment S. 290, Punkt 1 bis 3 auf der CD Frank-Hertz- Experiment. Der hohe, lineare Potenzialtopf S. 292/293 S.293, A1 Einsperren durch Randbedingungen bringt Quantisierung "de-broglie-welle, Ketterle- Experiment, Quantenpferch", Teil b) Grundlegende Gedanken der Schrödingergleichung und ihre Bedeutung für die Atomphysik S ohne Vertiefung "Eigenwerte mit Schieberegler", Teil a) Physik als Naturbetrachtung 11. Struktur der Materie Wie entstehen Naturgesetze? S Mit den Themen, die auf diesen Seiten angesprochen werden, lässt sich der Physikunterricht in Klassenstufen 12 gut abschließen. Falls zeitlich möglich, könnte man im Punkt 18 auf Seite 450 das Thema Verschränkte Zustände und Dekohärenz auf den Seiten einbinden 7. Aspekte der Elementarteilchenphysik im Überblick Leptonen, Quarks S sehr kurzer Überblick 2 Curriculum Physik 11/12 zweistündig (Schwerpunkt Quantenphysik) Baden-Württemberg mit DORN-BADER Seite 12 von 12