Physik (Schwerpunktfach)

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1 357 Physik (Schwerpunktfach) A. Stundendotation 1. Jahr 2. Jahr 3. Jahr 4. Jahr Wochenstunden KSO 2 4 Wochenstunden KSSO Die Stundentafel lässt im Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik eine abweichende Stundenverteilung auf die Jahre zu. Dadurch kann eine Verschiebung von Unterrichtsgebieten und Teilgebieten zwischen den Jahren entstehen. B. Allgemeine Bildungsziele Überblick über das Fach Das Schwerpunktfach Physik ist geprägt von einer intensiven Auseinandersetzung mit physikalischen, mathematischen und technischen Fragestellungen, welche über die Inhalte des Grundlagenfachs hinausgehen. So werden einzelne Themengebiete des Grundlagenfachs unter Verwendung von komplexeren mathematischen und physikalischen Modellen erweitert (z. B. komplexe Zahlen in der Wechselstromtechnik). Einen wesentlichen Bestandteil bildet dabei die experimentelle Aufarbeitung theoretischer Fragestellungen wie z. B. die Eigenschaften des Wechselstroms oder der Halbleitertechnik. Zu vermittelnde Unterrichtsgebiete Die Unterrichtsgebiete werden in Teil D. Jahrespläne näher ausgeführt. Basisfähigkeiten und Anwendungen Experimentelles Arbeiten Thermodynamik Elektrizität und Magnetismus Mechanik Optik Atom- und Quantenphysik Beitrag des Faches zur Studierfähigkeit und persönlichen Bildung Das Schwerpunktfach Physik vermittelt den Lernenden zusätzlich zum Grundlagenfach einen vertieften Einblick in die Denkweise der beiden Disziplinen Mathematik und Physik. Es entwickelt die Fähigkeit zu erkennen, dass vielfältige Probleme aus Alltag, Technik und Wissenschaften einer mathematischen bzw. physikalischen Bearbeitung zugänglich sind und vereinfacht dadurch den Einstieg in Studiengänge der Natur- und Ingenieurwissenschaften. C. Überfachliche Kompetenzen Das Schwerpunktfach Physik fördert besonders die folgenden überfachlichen Kompetenzen:

2 358 Physik (Schwerpunktfach) Reflexive Fähigkeiten konstruktiv mit Lernhindernissen und Fehlern umgehen Lösungsstrategien überdenken, analysieren und verbessern mit wissenschaftlichen Modellen kritisch umgehen Aspekte der Physik in gesellschaftliche und politische Diskussionen einbringen Sprachkompetenz die physikalische Fachsprache bewusst von der Alltagssprache unterscheiden Arbeits- und Lernverhalten bei der Durchführung und Auswertung von Experimenten sorgfältig arbeiten Problemstellungen analysieren und zielgerichtet Lösungsstrategien erarbeiten ICT-Kompetenzen bei der Auswertung naturwissenschaftlicher Experimente die Daten mit der entsprechenden Software (z. B. Excel, LoggerPro) aufbereiten Messergebnisse grafisch darstellen Praktische Fähigkeiten manuelles Geschick und technische Kreativität beim Experimentieren zeigen D. Jahrespläne Die einzelnen Unterrichtsgebiete sind dargestellt in den beiden Spalten Teilgebiete Lernziele Teilgebiete, die sich für den fächerübergreifenden Unterricht besonders eignen, sind im Folgenden mit einem Stern * bezeichnet.

3 Physik (Schwerpunktfach) Jahr 3. Jahr 1. Experimentelles Arbeiten 1.1 Selbstständiges Durchführen von Experimenten* - führen Experimente aus Teilgebieten der Physik selbstständig durch - machen sich mit den theoretischen Grundlagen vertraut - sind in der Lage, mit geeigneten Mitteln Daten zu messen und adäquat zu dokumentieren 1.2 Datenauswertung* - bereiten die gesammelten Daten in einer physikalisch sinnvollen Art und Weise auf und - vergleichen sie mit entsprechenden physikalischen Modellen (z. B. lineare Regression, Extrapolation etc.) und - vergleichen Simulation und Messung 1.3 Diskussion* - setzen sich kritisch mit dem Experiment und dessen Resultaten auseinander - verstehen es, aus den Resultaten physikalische Zusammenhänge abzulesen und diese zu diskutieren (z. B. Literaturvergleich, Plausibilität) 2. Thermodynamik 2.1 Zweiter Hauptsatz* - erklären und verstehen, warum alle natürlichen und technischen Prozesse irreversibel sind - erläutern die Konsequenzen des Entropieverhaltens auf technische Anwendungen - erkennen die Bedeutung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik in Bezug auf die Richtung der Zeitachse 2.2 Wärmetransportarten* - erklären und verstehen die unterschiedlichen Wärmetransportarten und stellen sie einander gegenüber - verknüpfen die Wärmetransportarten mit Alltagsphänomenen (z. B. Golfstrom, Konvektionsheizung)

4 360 Physik (Schwerpunktfach) 3. Jahr 3. Elektrizität und Magnetismus 3.1 Halbleitertechnik - unterscheiden die einzelnen Leitertypen voneinander - wissen, welchen Effekt das Dotieren von Halbleitermaterialien hat und erklären die Leitfähigkeit von dotierten Halbleitern - zählen wichtige Eigenschaften und Anwendungen der Halbleitertechnik (z. B. Diode, Transistor oder Solarzelle) auf und erklären diese 4. Mechanik 4.1 Impuls und Impulserhaltung - verstehen die Bedeutung der physikalischen Grösse Impuls als Erhaltungsgrösse - wenden die Erhaltungsprinzipien auf den elastischen und inelastischen Stoss an 4.2 Rotation des starren Körpers (nur KSO) - beschreiben und interpretieren Dreh- und Rotationsbewegungen starrer Körper - verstehen den Drehimpuls als Erhaltungsgrösse - erkennen Drehmomente als Ursache der Änderung von Rotationsbewegungen und sehen die Analogien zu den entsprechenden Translationsgrössen 5. Basisfähigkeiten und Anwendungen Die im Unterrichtsgebiet Basisfähigkeiten und Anwendungen erwähnten Kompetenzen werden in den anderen Unterrichtsgebieten angewandt und weiterentwickelt. 5.1 Begriffe und Konzepte - verstehen die Bedeutung der fundamentalen Begriffe aus den behandelten Teilgebieten und - sind in der Lage, diese physikalisch zu erklären und - damit zu argumentieren - verstehen die in den behandelten Teilgebieten fundamentalen Konzepte der Physik und wenden diese an 5.2 Problemlösung - verwenden die Begriffe und Konzepte aus den behandelten Teilgebieten, um Problemstellungen mathematisch zu analysieren und zu lösen - finden mittels theoretischer Überlegungen Lösungen für Fragestellungen.

5 Physik (Schwerpunktfach) Jahr 5.3 Technische Anwendungen und Alltagsbezug* - verstehen und erklären die Funktionsweise der fundamentalen technischen Anwendungen aus den behandelten Teilgebieten - verstehen und erklären Alltagsphänomene mit Hilfe der Begriffe und Konzepte aus den behandelten Teilgebieten

6 362 Physik (Schwerpunktfach) 4. Jahr 4. Jahr 1. Experimentelles Arbeiten 1.1 Selbstständiges Durchführen von Experimenten* - führen Experimente aus Teilgebieten der Physik selbstständig durch - machen sich mit den theoretischen Grundlagen vertraut - sind in der Lage, mit geeigneten Mitteln Daten zu messen und adäquat zu dokumentieren 1.2 Datenauswertung* - bereiten die gesammelten Daten in einer physikalisch sinnvollen Art und Weise auf und - vergleichen sie mit entsprechenden physikalischen Modellen (z. B. lineare Regression, Extrapolation etc.) - vergleichen Simulation und Messung 1.3 Diskussion* - setzen sich kritisch mit dem Experiment und dessen Resultaten auseinander und - verstehen es, aus den Resultaten physikalische Zusammenhänge abzulesen und diese zu diskutieren (z. B. Literaturvergleich, Plausibilität) 2. Optik 2.1 Modellvorstellungen des Lichts - erklären und verstehen das Modell des Lichtstrahls - interpretieren optische Phänomene mit Hilfe des Lichtstrahl- Modells (z. B. Schattenwurf) - erkennen, dass zur Beschreibung bestimmter experimenteller Phänomene (z. B. Beugung, Interferenz oder Polarisation) das Strahlenmodell nicht ausreicht und - erklären diese mit Hilfe des Wellenmodells 2.2 Reflexion und Brechung - stellen die Modelle des Lichts zur Erklärung von Reflexion und die Brechung einander gegenüber - verstehen die Bedeutung der Brechzahl 2.3 Abbildungen* - erklären und verstehen die Bildentstehung bei Spiegeln und Linsen - beschreiben und erklären die Funktionsweise wichtiger optischer Instrumente (z. B. Auge) - beschreiben Eigenschaften von Linsen (z. B. Linsengleichung)

7 Physik (Schwerpunktfach) Jahr 2.4 Beugung am Spalt und am Gitter - verstehen Interferenzen als Grundcharakteristika von Wellen - beschreiben das Entstehen von Beugungs- und Interferenzmustern mit Hilfe des Elementarwellenkonzepts - interpretieren optische Phänomene mit Hilfe der Wellentheorie des Lichts 3. Elektrizität und Magnetismus 3.1 Kapazität - erklären und verstehen den Kondensator als Energiespeicher - berechnen Ersatzkapazitäten in verschiedenen Schaltungen 3.2 Zeitlich veränderliche elektrische Felder - wissen, welche Rolle die Kapazität eines Kondensators beim Auf- oder Abbau des elektrischen Feldes spielt - erklären und verstehen das Verhalten einer Kapazität im Gleich- respektive Wechselstromkreis 3.3 Induktivität - erklären und verstehen die Spule als Energiespeicher - ermitteln Ersatzinduktivitäten in verschiedenen Schaltungen 3.4 Zeitlich veränderliche magnetische Felder - wissen, welche Rolle die Induktivität einer Spule beim Aufoder Abbau des magnetischen Feldes spielt (Selbstinduktion) - erklären und verstehen das Verhalten einer Induktivität im Gleich- respektive Wechselstromkreis 3.5 Wechselstrom* - erklären und verstehen den Wechselstrom als sich zeitlich periodisch veränderliche physikalische Grösse (z. B. Frequenz, Effektivwert) - erklären und verstehen die elementaren Zusammenhänge zwischen den relevanten Grössen im Wechselstromkreis (z. B. Wechselstromwiderstände, Kirchhoff sche Gesetze) - stellen obige Zusammenhänge im Kontext einfacher Fragestellungen aus Alltag und Technik einander gegenüber (z. B. Schwingkreis, elektromagnetische Wellen) 4. Mechanik (nur KSSO) 4.1 Rotation des starren Körpers - beschreiben und interpretieren Dreh- und Rotationsbewegungen starrer Körper - verstehen den Drehimpuls als Erhaltungsgrösse - erkennen Drehmomente als Ursache der Änderung von Rotationsbewegungen und sehen die Analogien zu den entsprechenden Translationsgrössen

8 364 Physik (Schwerpunktfach) 4. Jahr 5. Atom- und Quantenphysik 5.1 Atommodelle* - erkennen und erklären die Eigenschaften und Grenzen der Atommodelle von Rutherford und Bohr - benutzen Atommodelle zur Erklärung experimenteller Befunde (z. B. Frank-Hertz-Versuch, Linienspektren) 5.2 Schrödingergleichung - erläutern die Bedeutung der quantenphysikalischen Modelle auf neuere Erkenntnisse der modernen Physik (z. B. Orbitalmodell, Tunneleffekt) - erklären und verstehen das Quadrat der Wellenfunktion einer Materiewelle als Aufenthaltswahrscheinlichkeit eines Teilchens - finden für Anwendungen die Wellenfunktion eines Teilchens (z. B. Teilchen im Kasten, Wasserstoffatom) 5.3 Heisenberg sche Unschärferelation - erkennen die Trageweite der Heisenberg schen Unschärferelation - erklären und verstehen den Tunneleffekt 6. Basisfähigkeiten und Anwendungen Die im Unterrichtsgebiet Basisfähigkeiten und Anwendungen erwähnten Kompetenzen werden in den anderen Unterrichtsgebieten angewandt und weiterentwickelt. 6.1 Begriffe und Konzepte - verstehen die Bedeutung der fundamentalen Begriffe aus den behandelten Teilgebieten und - sind in der Lage, diese physikalisch zu erklären und - damit zu argumentieren - verstehen die in den behandelten Teilgebieten fundamentalen Konzepte der Physik und wenden diese an 6.2 Problemlösung - verwenden die Begriffe und Konzepte aus den behandelten Teilgebieten um Problemstellungen mathematisch zu analysieren und zu lösen oder - mittels theoretischer Überlegungen einer Lösung zuzuführen 6.3 Technische Anwendungen und Alltagsbezug* - verstehen und erklären die Funktionsweise der fundamentalen technischen Anwendungen aus den behandelten Teilgebieten - verstehen und erklären Alltagsphänomene mit Hilfe der Begriffe und Konzepte aus den behandelten Teilgebieten