Physik. I. Leitgedanken zum Kompetenzerwerb. Schulcurriculum

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1 Physik I. Leitgedanken zum Kompetenzerwerb Durch eine physikalische Grundbildung sollen Schülerinnen und Schüler in die Lage versetzt werden, erworbenes physikalisches Wissen anzuwenden. Sie sollen physikalische Fragen erkennen und sachgerechte Entscheidungen treffen können, die die natürliche Welt und die durch menschliches Handeln an ihr vorgenommenen Veränderungen betreffen. Der Physikunterricht fördert das Denk- und Vorstellungsvermögen der Schülerinnen und Schüler. Er vermittelt ein tragfähiges Grundwissen, Fertigkeiten bei der Beobachtung und Beschreibung physikalischer Phänomene sowie Grundlagen im Experimentieren. Physikalisches Wissen besteht nicht nur aus Faktenwissen und aus der Kenntnis von Bezeichnungen, Begriffen und Formeln. Wichtig ist auch das Verständnis von grundlegenden physikalischen Konzepten und Modellen, deren Tragfähigkeit ständig hinterfragt werden muss, um die Grenzen physikalischen Denkens erkennen zu können. Schlussfolgerungen zu ziehen bedarf der Fähigkeit, Informationen und Daten auf der Grundlage physikalischer Gesetze zu beurteilen, auszuwählen und anzuwenden. Das im Physikunterricht erworbene Grundlagenwissen und die dort gelernten Fachmethoden können im Alltag gewinnbringend eingesetzt werden. Neben der Entwicklung kognitiver Fähigkeiten muss der Physikunterricht auch die emotionalen Bedürfnisse der Schülerinnen und Schüler berücksichtigen und ihre personale und soziale Kompetenz fördern. So werden bei Teamarbeit und im Physik-Praktikum vor allem die kooperativen Fähigkeiten entwickelt. Der Physikunterricht soll so aufgebaut sein, dass die Lernenden in der Lage sind, an der zukunftsfähigen Gestaltung der Weltgesellschaft im Sinne der Agenda 21 aktiv und verantwortungsvoll mitzuwirken und im eigenen Lebensumfeld einen Beitrag zu einer gerechten, umweltverträglichen und nachhaltigen Weltentwicklung zu leisten. Kompetenzerwerb Voraussetzung für den Aufbau eines tragfähigen Physikverständnisses ist eine hinreichende Lesefähigkeit. Sie wird in der Physik mit der Fähigkeit zur Verbalisierung physikalischer Problemstellungen, zur Veranschaulichung in Bildern, zur Benutzung der Fachsprache und zur Darstellung in einer mathematischen Schreibweise weiter ausgebaut. Die Fachmethoden der Physik werden an geeigneten Physik-n vermittelt, hierbei spielen physikalische Konzepte, Modelle und Strukturen eine wichtige Rolle. Fachmethoden und Fachinhalte bauen eine für andere Fächer/Fächerverbünde nutzbare Denk- und Arbeitshaltung auf. Die Physik erfordert ein klares Erfassen und Mitteilen von Sachverhalten, die Beobachtung von quantitativ erfassbaren Größen, die Formulierung von Hypothesen und Modellvorstellungen und daraus resultierenden Vorhersagen, die experimentell überprüft werden können. Hierbei ist die Reduzierung von komplexen Randbedingungen auf eine experimentell erfassbare Problemsituation ein entscheidender Faktor. Der Physikunterricht bietet vielfältige Möglichkeiten, die sprachliche Bildung der Schülerinnen und Schüler zu fördern, da neben mathematischen Formulierungen auch das Sprechen, das Schreiben und das Argumentieren eine wichtige Rolle spielen. Die Bildungsstandards definieren ein Kerncurriculum, das u. a. die Anschlussfähigkeit an die Hochschule garantiert und Freiräume schafft für standortspezifische Ausdifferenzierung der einzelnen Schulen.

2 Didaktische Grundsätze Am Anfang eines Physikverständnisses steht die Auseinandersetzung mit den Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler, die sie in den Unterricht mitbringen. Phänomene führen zu physikalischen Fragestellungen. Erklärungen werden in Bildern, Modellen und Experimenten veranschaulicht und schrittweise mithilfe der physikalischen Fachsprache gefasst. Das im Rahmen der physikalischen Grundbildung an speziellen Beispielen erworbene Wissen über Fakten und begriffliche Strukturen sowie die dabei entwickelten Fähigkeiten müssen auf neue Fragestellungen anwendbar sein. Im Unterricht muss darauf geachtet werden, dass durch Lehrinhalte und Lehrmethoden Schülerinnen und Schüler gleichermaßen angesprochen werden. So kommt z. B. eine Erweiterung der Fragestellung "Wie funktioniert?" auf "Wie wirkt sich aus?" den Mädchen entgegen und gibt Jungen die Chance auf eine erweiterte Sicht der Technik. Fragestellungen, die an Gesundheit, Natur und Umwelt, an den Menschen und seine Zukunftsgestaltung anknüpfen, sind sowohl für Mädchen als auch für Jungen interessant. Der Unterricht muss auch Leistungen von Frauen in der Physik sichtbar machen. Handlungsorientiertes und entdeckendes Lernen und Arbeiten in Teams auch im Physikpraktikum sind tragende Säulen des Physikunterrichts. Diese Handlungsorientierung ermöglicht einen differenzierten Unterricht, sodass jede Schülerin und jeder Schüler eine Chance hat, auf der eigenen Stufe des Könnens zu arbeiten. Wichtig ist auch der Umgang mit Fehlern oder fachsprachlich nicht korrekten Ausdrucksweisen. Fehler werden in der Lernphase zwangsläufig gemacht und gehören zum Lernprozess; Fehler können als Lernchance genutzt werden. Vor allem im handlungsorientierten Unterricht, bei der Teamarbeit oder im Physik-Praktikum können die Denk- und Arbeitswege der einzelnen Schülerinnen und Schüler beobachtet werden. Auf diese Weise kann die Lehrkraft bei individuellen Problemen helfen. Durch offene Problemstellungen und entdeckendes Lernen werden die Schülerinnen und Schüler zur Suche nach eigenen Lösungswegen angeregt. Ihre eigene Anstrengungsbereitschaft und Kreativität werden u. a. durch Referate und eigene Experimentalvorträge gefördert und der eigene Kompetenzzuwachs wird erkannt. Lehrerinnen und Lehrer können aus den angewandten Strategien Denk- und Lernwege erkennen und den folgenden Unterricht danach organisieren.

3 Hinweis für die Kursstufe Der 2-stündige und der 4-stündige Physikkurs haben unterschiedliche Schwerpunkte: 1. Im 2-stündigen Kurs wird eine wissenschaftspropädeutisch orientierte Grundbildung vermittelt. 2. Im 4-stündigen Kurs steht die systematische, vertiefte und reflektierte wissenschaftspropädeutische Arbeit im Mittelpunkt. Beiden Kursarten gemeinsam ist die Förderung und Entwicklung grundlegender Kompetenzen als Teil der Allgemeinbildung und als Voraussetzung für Studium und Beruf. Für den 2-stündigen Kurs stehen zwei Alternativen mit unterschiedlichen inhaltlichen Schwerpunkten zur Auswahl: 1. Quantenphysik 2. Astrophysik Beide 2-stündige Physikkurse führen in grundlegende Fragestellungen, Sachverhalte, Strukturen sowie deren Zusammenhänge ein und vermitteln exemplarisch die Möglichkeiten und den Wert fachübergreifender Bezüge. Sie zielen auf die Beherrschung wesentlicher Arbeitsmethoden ab. Darüber hinaus fördern sie bei den Schülerinnen und Schülern sowohl das Interesse am Fach durch Bezüge zur Lebenswelt als auch die Selbstständigkeit durch schülerzentriertes und handlungsorientiertes Arbeiten. Der 4-stündige Physikkurs ist auf eine systematische Beschäftigung mit den wesentlichen n und Grundprinzipien gerichtet und macht damit die Breite, die Komplexität und den Aspektreichtum des Faches und seiner Bezüge zu Natur und Technik deutlich. Er zielt auf eine vertiefte Beherrschung der Fachmethoden und ihrer Anwendung sowie der theoretischen Reflexion ab. Den 4-stündigen Physikkurs zeichnet ein hoher Grad an Selbstständigkeit der Schülerinnen und Schüler vor allem beim Experimentieren, in einzelnen Fällen aber auch bei der Wissensgenerierung, aus. Die Anforderungen im 2-stündigen Physikkurs sollen sich daher nicht nur quantitativ, sondern vor allem auch qualitativ von denen im 4-stündigen Physikkurs unterscheiden. Die Unterschiede bestehen insbesondere in folgenden drei Aspekten: 1. Umfang und Spezialisierungsgrad bezüglich des Fachwissens, der Methoden beim Experimentieren und der Theoriebildung 2. Abstraktionsniveau erkennbar im Grad der Elementarisierung physikalischer Sachverhalte, in der Anwendung induktiver und deduktiven Methoden, bei Analogieschlüssen, im Grad der Mathematisierung und im Anspruch an die verwendete Fachsprache 3. Komplexität der Kontexte, der physikalischen Sachverhalte, Theorien und Modelle

4 II Kompetenzen und Klasse 8 1. Physik als Naturbetrachtung unter bestimmten Aspekten zwischen Beobachtung und physikalischer Erklärung unterscheiden an einfachen Beispielen die physikalische Beschreibungsweise anwenden 2. Physik als theoriegeleitete Erfahrungswissenschaft die naturwissenschaftliche Arbeitsweise Hypothese, Vorhersage, Überprüfung im Experiment, Bewertung, in ersten einfachen Beispielen anwenden 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik bei einfachen Beispielen den funktionalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren einfache funktionale Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen, die z. B. durch eine Formel vorgegeben werden, verbal beschreiben und interpretieren einfache, auch bisher nicht im Unterricht behandelte Formeln zur Lösung von physikalischen Problemen anwenden 4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik einfache Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen erste Experimente unter Anleitung planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und angeben, welche Faktoren die Genauigkeit von Messergebnissen beeinflussen an ersten einfachen Beispielen Strukturen erkennen und Analogien hilfreich einsetzen 5. Anwendungsbezug und gesellschaftliche Relevanz der Physik bei einfachen Problemstellungen Fragen erkennen, die sie mit Methoden der Physik bearbeiten und lösen erste physikalische Grundkenntnisse und Methoden für Fragen des Alltags sinnvoll einsetzen erste Zusammenhänge zwischen lokalem Handeln und globalen Auswirkungen erkennen und dieses Wissen für ihr eigenes verantwortungsbewusstes Handeln einsetzen Die Schülerinnen und Schüler kennen charakteristische Werte der behandelten physikalischen Größen und können sie für sinnvolle physikalische Abschätzungen anwenden.

5 6. Wahrnehmung und Messung den Zusammenhang und den Unterschied zwischen der Wahrnehmung bzw. Sinnesempfindung und ihrer physikalischen Beschreibung bei folgenden Themenstellungen darstellen: Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören Messung: Amplitude, Frequenz Wahrnehmung: Schwere Messung: Schwerkraft Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen physikalische Beschreibung: Streuung, Reflexion, Brechung Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung Messung: Temperatur 7. Grundlegende physikalische Größen mit grundlegenden physikalischen Größen umgehen. Zeit, Masse, Massendichte, Temperatur, Druck Energie elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, qualitativ: elektrische Ladung Kraft, Geschwindigkeit, qualitativ: Impuls 8. Strukturen und Analogien Strukturen und Analogien erkennen. Schall und Licht qualitativ: Energiespeicher, Beschreibung von mechanischen und elektrischen Energietransporten qualitativ: Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand 9. Naturerscheinungen und technische Anwendungen elementare Erscheinungen in der Natur und wichtige Geräte funktional beschreiben physikalische Modelle auch in ihrem Alltag gewinnbringend einsetzen Erde: atmosphärische Erscheinungen, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte (z. B. Elektromotor) Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (z. B. Generator) auch regenerative Energieversorgung (z. B. Solarzelle, Brennstoffzelle)

6 Klasse Physik als Naturbetrachtung unter bestimmten Aspekten zwischen Beobachtung und physikalischer Erklärung unterscheiden zwischen ihrer Erfahrungswelt und deren physikalischer Beschreibung unterscheiden an Beispielen die physikalische Beschreibungsweise anwenden Außerdem wissen die Schülerinnen und Schüler, dass naturwissenschaftliche Gesetze und Modellvorstellungen Grenzen haben. 2. Physik als theoriegeleitete Erfahrungswissenschaft die naturwissenschaftliche Arbeitsweise Hypothese, Vorhersage, Überprüfung im Experiment, Bewertung, anwenden bei einfachen Zusammenhängen ein Modell erstellen, mit einer geeigneten Software bearbeiten und die berechneten Ergebnisse reflektieren 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik den funktionalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren funktionale Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen, die z. B. durch eine Formel vorgegeben werden, verbal beschreiben und interpretieren vorgegebene (auch bisher nicht im Unterricht behandelte) Formeln zur Lösung von physikalischen Problemen anwenden 4. Spezifisches Methodenrepertoire der Physik Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen Experimente unter Anleitung planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vornehmen Strukturen erkennen und Analogien hilfreich einsetzen computerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme im Praktikum unter Anleitung einsetzen die Methoden der Deduktion und Induktion an einfachen im Unterricht behandelten Beispielen erläutern geeignete Größen bilanzieren 5. Anwendungsbezug und gesellschaftliche Relevanz der Physik Fragen erkennen, die sie mit Methoden der Physik bearbeiten und lösen physikalische Grundkenntnisse und Methoden für Fragen des Alltags sinnvoll einsetzen Zusammenhänge zwischen lokalem Handeln und globalen Auswirkungen erkennen und dieses Wissen für ihr eigenes verantwortungsbewusstes Handeln einsetzen Die Schülerinnen und Schüler kennen charakteristische Werte der behandelten physikalischen Größen und können sie für sinnvolle physikalische Abschätzungen anwenden.

7 6. Physik als ein historisch-dynamischer Prozess an Beispielen darstellen, dass physikalische Begriffe und Vorstellungen nicht statisch sind, sondern sich in einer fortwährenden Entwicklung befinden welche Faktoren zu Entdeckungen und Erkenntnissen führen (Intuition, Beharrlichkeit, Zufall, ) 7. Wahrnehmung und Messung den Zusammenhang und den Unterschied zwischen der Wahrnehmung bzw. Sinnesempfindung und ihrer physikalischen Beschreibung bei folgenden Themenstellungen darstellen: Wahrnehmung: Schwere Messung: Schwerkraft Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung Messung: Temperatur 8. Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen kennen die Schülerinnen und Schüler die Erhaltungssätze und können sie vorteilhaft zur Lösung physikalischer Fragestellungen einsetzen. Die Schülerinnen und Schüler kennen technische Möglichkeiten zum Energiesparen und zur Reduzierung von Entropieerzeugung. mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Zeit, Masse, Massendichte, Temperatur, Druck Energie (Energieerhaltung) elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung) Kraft, Geschwindigkeit, Impuls (Impulserhaltung), Beschleunigung Entropie (Entropieerzeugung) qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls (Drehimpulserhaltung) 9. Strukturen und Analogien Die Schülerinnen und Schüler erkennen weitere Strukturen und Analogien und können mit den bisher schon bekannten komplexere Fragestellungen bearbeiten: Schall und Licht Energiespeicher, Beschreibung von mechanischen, elektrischen und thermischen Energietransporten Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand qualitative Beschreibung von Feldern (Gravitationsfeld, magnetisches Feld, elektrisches Feld)

8 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen weitere Erscheinungen in der Natur und wichtige Geräte funktional beschreiben. Sie sind immer mehr in der Lage, physikalische Modelle auch in ihrem Alltag gewinnbringend einzusetzen. Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte (z. B. Elektromotor) Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (z. B. Generator) auch regenerative Energieversorgung (z. B. Solarzelle, Brennstoffzelle) Informationstechnologie und Elektronik auch einfache Schaltungen mit elektronischen Bauteilen 11. Struktur der Materie Teilchenmodelle an geeigneten Stellen anwenden und kennen eine zeitgemäße Atomvorstellung. Atomhülle, Atomkern 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen bei technischen Entwicklungen Chancen und Risiken abwägen und lernen Methoden kennen, durch die negative Folgen für Mensch und Umwelt minimiert werden. Natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Kernspaltung, Radioaktivität Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen 13. Modellvorstellungen und Weltbilder anhand der behandelten Beispiele die Grenzen der klassischen Physik erläutern. Geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern (z. B. Sonnensystem, Universum, Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie, Kausalität, deterministisches Chaos)

9 Kursstufe (gemeinsam für alle Kursarten) 1. Physik als Naturbetrachtung unter bestimmten Aspekten zwischen Beobachtung und physikalischer Erklärung unterscheiden zwischen ihrer Erfahrungswelt und deren physikalischer Beschreibung unterscheiden die physikalische Beschreibungsweise anwenden an Beispielen erläutern, dass naturwissenschaftliche Gesetze und Modellvorstellungen Grenzen haben 2. Physik als theoriegeleitete Erfahrungswissenschaft die naturwissenschaftliche Arbeitsweise Hypothese, Vorhersage, Überprüfung im Experiment, Bewertung, anwenden und reflektieren ein Modell erstellen, mit einer geeigneten Software bearbeiten und die berechneten Ergebnisse reflektieren 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik den funktionalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren funktionale Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen, die z. B. durch eine Formel vorgegeben werden, verbal beschreiben und interpretieren funktionale Zusammenhänge selbstständig finden vorgegebene (auch bisher nicht im Unterricht behandelte) Formeln zur Lösung von physikalischen Problemen anwenden 4. Spezifische Methodenrepertoire der Physik Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen Experimente selbstständig planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vornehmen selbstständig Strukturen erkennen und Analogien hilfreich einsetzen computerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme im Praktikum selbstständig einsetzen die Methoden der Deduktion und Induktion anwenden geeignete Größen bilanzieren 5. Anwendungsbezug und gesellschaftliche Relevanz der Physik Fragen selbstständig erkennen, die sie mit Methoden der Physik bearbeiten und lösen physikalische Grundkenntnisse und Methoden für Fragen des Alltags sinnvoll einsetzen Zusammenhänge zwischen lokalem Handeln und globalen Auswirkungen erkennen und dieses Wissen für ihr eigenes verantwortungsbewusstes Handeln einsetzen Die Schülerinnen und Schüler kennen charakteristische Werte der behandelten

10 6. Physik als ein historisch-dynamischer Prozess an Beispielen selbstständig darstellen, dass physikalische Begriffe und Vorstellungen nicht statisch sind, sondern sich in einer fortwährenden Entwicklung befinden welche Faktoren zu Entdeckungen und Erkenntnissen führen (Intuition, Beharrlichkeit, Zufall, ) Kursstufe (2-stündig, Schwerpunkt Quantenphysik) 7. Wahrnehmung und Messung den Zusammenhang und den Unterschied zwischen der Wahrnehmung bzw. Sinneswahrnehmung und ihrer physikalischen Beschreibung bei folgenden Themenstellungen reflektieren: Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören Messung: Amplitude, Frequenz Wahrnehmung: Schwere Messung: Schwerkraft, Gravitationsfeldstärke Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen physikalische Beschreibung: Streuung, Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz Messung: Intensität, Frequenz Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung Messung: Temperatur 8. Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen kennen die Schülerinnen und Schüler vor allem die Erhaltungssätze und können sie vorteilhaft zur Lösung physikalischer Fragestellungen einsetzen. Die Schülerinnen und Schüler kennen technische Möglichkeiten zum Energiesparen und zur Reduzierung von Entropieerzeugung. mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Zeit, Masse, Massendichte, Temperatur, Druck Energie (Energieerhaltung) elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung) Kraft, Geschwindigkeit, Impuls (Impulserhaltung), Beschleunigung Entropie (Entropieerzeugung) qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls (Drehimpulserhaltung) elektrische Feldstärke, Kapazität magnetische Flussdichte, Induktivität Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit 9. Strukturen und Analogien das magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltheorie verstehen, in der die Elektrodynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird ihre Vorstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen und Wellen in eine angemessene

11 Fachsprache überführen. Grundkenntnisse werden bei folgenden Themen erwartet: Schall und Licht Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand Feld (qualitativ) Gravitationsfeld elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld, Induktion) Schwingung (qualitativ) harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung Welle (qualitativ) mechanische und elektromagnetische Welle Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen weitere Erscheinungen in der Natur und wichtige Geräte funktional beschreiben. Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte (z. B. Elektromotor) Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (z. B. Generator) auch regenerative Energieversorgung (z. B. Solarzelle, Brennstoffzelle) Informationstechnologie und Elektronik auch Schaltungen mit elektronischen Bauteilen 11. Struktur der Materie Teilchenmodelle an geeigneten Stellen anwenden und kennen deren jeweilige Grenzen die Struktur der Materie auf der Basis einer quantenphysikalischen Modellvorstellung beschreiben. Atomhülle Energie-Quantisierung, Folgerungen aus der Schrödingergleichung Atomkern Aspekte der Elementarteilchenphysik Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen bei weiteren technischen Entwicklungen Chancen und Risiken abwägen Möglichkeiten reflektieren, durch die negative Folgen für Mensch und Umwelt minimiert werden

12 natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Kernspaltung, Radioaktivität Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen 13. Modellvorstellungen und Weltbilder Grenzen der klassischen Physik benennen die grundlegenden Gedanken der Quanten- und Atomphysik, Untersuchungsmethoden und erkenntnistheoretische Aspekte formulieren geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern (z. B. Sonnensystem, Universum, Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie, Kausalität, deterministisches Chaos) Quantenphysik Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten), stochastisches Verhalten, Verhalten beim Messprozess, Komplementarität, Nichtlokalität Kursstufe (2-stündig, Schwerpunkt Astrophysik) 7. Wahrnehmung und Messung den Zusammenhang und den Unterschied zwischen der Wahrnehmung bzw. Sinneswahrnehmung und ihrer physikalischen Beschreibung bei folgenden Themenstellungen reflektieren: Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören Messung: Amplitude, Frequenz Wahrnehmung: Schwere Messung: Schwerkraft, Gravitationsfeldstärke Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen physikalische Beschreibung: Streuung, Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz Messung: Intensität, Frequenz Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung Messung: Temperatur 8. Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen kennen die Schülerinnen und Schüler vor allem die Erhaltungssätze und können sie vorteilhaft zur Lösung physikalischer Fragestellungen einsetzen. Die Schülerinnen und Schüler kennen technische Möglichkeiten zum Energiesparen und zur Reduzierung von Entropieerzeugung. mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Zeit, Masse, Massendichte, Temperatur, Druck

13 Energie (Energieerhaltung) elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung) Kraft, Geschwindigkeit, Impuls (Impulserhaltung), Beschleunigung Entropie (Entropieerzeugung) qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls (Drehimpulserhaltung) elektrische Feldstärke magnetische Flussdichte Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit 9. Strukturen und Analogien - das magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltheorie verstehen, in der die Elektrodynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird - ihre Vorstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen und Wellen in eine angemessene Fachsprache überführen Grundkenntnisse werden bei folgenden Themen erwartet: Schall und Licht Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand Feld (qualitativ) Gravitationsfeld, Gravitationslinsen elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld) Welle (qualitativ) mechanische und elektromagnetische Welle Dopplereffekt Spektralanalyse, Strahlungsgesetze Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen weitere Erscheinungen in der Natur und wichtige Geräte funktional beschreiben. Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Sterne: Sternentwicklung (Hertzsprung-Russell-Diagramm) Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte (z. B. Elektromotor) Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (z. B. Generator) auch regenerative Energieversorgung (z. B. Solarzelle, Brennstoffzelle) Informationstechnologie und Elektronik auch Schaltungen mit elektronischen Bauteilen 11. Struktur der Materie - Teilchenmodelle an geeigneten Stellen anwenden und kennen deren jeweilige Grenzen - die Struktur der Materie auf der Basis einer quantenphysikalischen Modellvorstellung beschreiben

14 Atomhülle Energie-Quantisierung Atomkern Aspekte der Elementarteilchenphysik Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks Kernfusion entartete Materie (qualitativ) 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen - bei weiteren technischen Entwicklungen Chancen und Risiken abwägen - Möglichkeiten reflektieren, durch die negative Folgen für Mensch und Umwelt minimiert werden natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Kernspaltung, Radioaktivität Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen Detektoren für elektromagnetische Strahlung 13. Modellvorstellungen und Weltbilder - Grenzen der klassischen Physik benennen - die grundlegenden Gedanken der Quanten- und Atomphysik, Untersuchungsmethoden und erkenntnistheoretische Aspekte formulieren geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern Sonnensysteme, Bedingungen für Leben (Drakeformel) Universum, Standardmodell des Urknalls, Rotverschiebung Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie Kausalität, deterministisches Chaos Grundlagen der Quantenphysik Kursstufe (4-stündig) 7. Wahrnehmung und Messung den Zusammenhang und den Unterschied zwischen der Wahrnehmung bzw. Sinneswahrnehmung und ihrer physikalischen Beschreibung bei folgenden Themenstellungen reflektieren: Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören Messung: Amplitude, Frequenz Wahrnehmung: Schwere Messung: Schwerkraft, Gravitationsfeldstärke Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen Messung: Intensität, Frequenz

15 Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung Messung: Temperatur 8. Grundlegende physikalische Größen Neben dynamischen Betrachtungsweisen kennen die Schülerinnen und Schüler vor allem die Erhaltungssätze und können sie vorteilhaft zur Lösung physikalischer Fragestellungen einsetzen. Die Schülerinnen und Schüler kennen technische Möglichkeiten zum Energiesparen und zur Reduzierung von Entropieerzeugung. mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: Zeit, Masse, Massendichte, Temperatur, Druck Energie (Energieerhaltung) elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung) Kraft, Geschwindigkeit, Impuls ( Impulserhaltung), Beschleunigung Entropie (Entropieerzeugung) qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls (Drehimpulserhaltung) elektrische Feldstärke, Kapazität magnetische Flussdichte, Induktivität Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit 9. Strukturen und Analogien - das magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltheorie verstehen, in der die Elektrodynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird - ihre Vorstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen und Wellen in eine angemessene Fachsprache und mathematische Beschreibung überführen Grundkenntnisse werden bei folgenden Themen erwartet: Schall und Licht Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand Feld qualitativ: Gravitationsfeld elektrisches und magnetisches Feld, Lorentzkraft, Wechselwirkung mit Materie, Induktion, Naturkonstanten Schwingung harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung, Differenzialgleichung mechanische und elektromagnetische Welle (unter Einbezug von Licht) harmonische Welle, einfache mathematische Beschreibung, Überlagerungen von Wellen (stehende Welle, Interferenz), Reflexion, Streuung, Brechung, Beugung, Polarisation Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen weitere Erscheinungen in der Natur und wichtige Geräte funktional beschreiben.

16 Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte (z. B. Elektromotor) Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (z. B. Generator) auch regenerative Energieversorgung (z. B. Solarzelle, Brennstoffzelle) Informationstechnologie und Elektronik auch Schaltungen mit elektronischen Bauteilen 11. Struktur der Materie - Teilchenmodelle an geeigneten Stellen anwenden und kennen deren jeweilige Grenzen - die Struktur der Materie auf der Basis einer quantenphysikalischen Modellvorstellung beschreiben Atomhülle Energie-Quantisierung, grundlegende Gedanken der Schrödingergleichung und ihre Bedeutung für die Atomphysik Atomkern Aspekte der Elementarteilchenphysik Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks Untersuchungsmethoden (Spektren, hochenergetische Strahlen, Detektoren) 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen - bei weiteren technischen Entwicklungen Chancen und Risiken abwägen - Möglichkeiten reflektieren, durch die negative Folgen für Mensch und Umwelt minimiert werden natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Kernspaltung, Radioaktivität Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen 13. Modellvorstellungen und Weltbilder - Grenzen der klassischen Physik benennen - die grundlegenden Gedanken der Quanten- und Atomphysik, Untersuchungsmethoden und erkenntnistheoretische Aspekte formulieren geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern (z. B. Sonnensystem, Universum, Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie, Kausalität, deterministisches Chaos) Quantenphysik Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten), stochastisches Verhalten, Verhalten beim Messprozess, Komplementarität, Nichtlokalität

17 Klasse 7 Hinweis: Die mit (W) gekennzeichneten sind nicht Teil des Kerncurriculums Einheit: Teilchenmodell und Druck 6+3 Std 1, 2, 6 Das Teilchenmodell Ölfleckversuch 1, 2, 7, 8 Zustandsformen Absprache mit Chemie 1, 3, 4, 8 Der Kolbendruck 10 Blutdruckmessung; Exkurs Möglichkeit von Schülervorträgen Druckmessgerät 1, 4, 5, 8, 9 Strömungen Einheit: Wärmelehre 3+2 Std 1, 7, 8 Temperaturmessung Hefteinträge gestalten 1, 5, 7, 10 Die thermische Ausdehnung Anomalie des Wassers Tabellen und Diagramme anfertigen und auswerten Beschreiben und dokumentieren Einheit: Magnetismus 5 Std 2, 4, 7 Das magnetische Feld 10 Das Magnetfeld der Erde Exkurs Möglichkeit von Schülervorträgen Einheit: Optik 24+8 Std 1, 2 Lichtausbreitung 1, 5, 7, 10 Licht und Schatten Ev. Mondphasen, Finsternisse 5, 7, 10 Reflexion am ebenen Spiegel Experimente unter Anleitung durchführen und auswerten

18 1, 7 Brechung Totalreflexion Experimente unter Anleitung planen, durchführen, auswerten, graphisch veranschaulichen und angeben, welche Faktoren die Genauigkeit von Messergebnissen beeinflussen. Diagramme interpretieren 1, 7 Farbzerlegung 2, 3, 5, 10 Abbildungen Linsen (W) Behandlung der Linsengleichung als Vertiefung möglich 1, 3, 4, 5, 10 Optische Geräte (W) z.b. Auge, Kamera, Mikroskop,,,... 1, 2, 9 Grenzen des Strahlenmodells (W) Physikalische Grundkenntnisse und Methoden für Fragen des Alltags sinnvoll einsetzen. Experimente unter Anleitung planen, durchführen und auswerten. Einheit: Akustik 9+2 Std 1, 7 Schallerreger Möglichkeit zur Gruppenarbeit: Bau verschiedener Tonerzeuger mit Präsentation und Bewertung 3, 4, 7, 10 Aufzeichnung von Schwingungen 3, 4, 10 Wir messen die Schallgeschwindigkeit 1, 2, 5 Die Ausbreitung des Schalls (W) Amplitude - Lautstärke, Frequenz - Tonhöhe, Periodendauer Möglichkeit zur Stationenarbeit: Sichtbarmachen von Schwingungen Planung eines geeignetes Experiments Möglichkeit zur Stationenarbeit: gute und schlechte Schallträger

19 Klasse 8 Einheit: Mechanik 18+8 Std 3, 4, 8 Geschwindigkeit Der Lernerfolg wird 2, 3, 8 Größen und Einheiten; Exkurs mit Hilfe folgender 1, 2, 3, 5, 8 Kräfte und ihre Messung Kraftwirkungen Methoden befördert: 1, 2, 3, 5, 8 Körper erfahren Gewichtskräfte - Hefteinträge gestalten 1, 2, 5, 6, 7, 8 Körper haben Masse Trägheit und Schwere - Aufgabenstellung 1, 2, 3, 5, 8 Stoffe haben eine Curriculum Chemie erfassen Dichte (W) - Experimente planen, ausführen und 2, 3, 4 Kräftegleichgewicht 1, 2, 5, 6, 8, 9, 10 Bewegte Körper haben Nur qualitativ auswerten Impuls - Tabellen und Diagramme anfertigen 1, 3, 4, 6, 7 Reibung (W) 3, 4, 10 Seilmaschinen (W) und auswerten - 3, 4, 10 Hebel (W) Beschreiben und dokumentieren Einheit: Energie 9+2 Std 1, 5, 8 Verschiedene Energieformen 1, 3, 5, 9, 10 Energieerhaltung 2, 3, 8 Ein Maß für Energie Arbeit als Energieübertragung 1, 2, 5, 9, 10 Energieentwertung 3, 5, 10 Leistung 1, 5, 9, 10 Energie und ihre Wege in Umwelt, Medizin und Technik Energieversorgung, Energiespeicher: z.b. Batterie, Pumpspeicherkraftwerk Energiewandler: z.b. Turbine, Motor, Ofen Der Lernerfolg wird mit Hilfe folgender Methoden befördert: - Hefteinträge gestalten - Aufgabenstellung erfassen - Experimente planen, ausführen und auswerten - Tabellen und Diagramme anfertigen und auswerten - Beschreiben und dokumentieren

20 Einheit: Elektrizitätslehre 35 Std 1-10 Die der Elektrizitätslehre aus Naturphänomene werden wiederholt und gefestigt. Ruhende elektrische Ladungen Glühelektrischer Effekt, Strom als fließende Ladung Wirkungen des elektrischen Stroms, Hinweise auf Gefahren des elektrischen Stroms Stromstärke, Ladungsmenge Spannung, Potenzial Elektrischer Widerstand, Ohmsches Gesetz Gesetze des einfach verzweigten und des unverzweigten Stromkreises Auf den sachgerechten Umgang mit elektrischen Geräten und Anlagen muss immer wieder hingewiesen werden Auf die Größe der Elementarladung kann hingewiesen werden Möglichkeit von projekthaftem Arbeiten Experimente unter Anleitung planen und ausführen

21 Klasse 9 Einheit: Wärmelehre 18+5 Std 1, 2, 5, 6 Innere Energie Wdh. von 7/8 Übungen und Vertiefungen 1, 2, 5, 6 Erhöhung der inneren Energie durch Wärme Spezifische Wärmekapazität zum Kerncurriculum 1, 2, 5, 6 Energieerhaltung bei Erhöhung der inneren z.b. Phasenübergänge. Reibung Energie durch Arbeit Aus dem Auftreten 1, 2, 5, 6 Schmelzen-Erstarren Verdampfen- Kondensieren spezifische Schmelzwärme und Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Umgebungsdruck zeigen von Verdunstungskälte lässt sich z.b. der Hang zur Vergrößerung der Entropie selbst auf Kosten der inneren Energie zeigen. 1, 2, 5, 6 Energietransport Wärmeleitung, Konvexion, Wärmestrahlung 1, 2, 5 Die absolute Temperatur 1, 2, 5, 6 Wärmekraftmaschinen 5, 6 Wärmekraftwerke 5, 6 Kernkraftwerke Einheit: Radioaktivität und Kernphysik 12+2 Std 1 Atomaufbau Radioaktive Stoffe Kernladungs- und Nukleonenzahl Isotope Ionisierende Strahlung Übungen und Vertiefungen zum Kerncurriculum z.b. Altersbestimmung 1, 2 Messung radioaktiver Strahlung Das Geiger-Müller- Zählrohr mit Radionukliden. 1, 2 Radioaktive Strahlung und Zerfall α, β, γ-strahlung 1, 2, 3, 4 Halbwertszeit Einheit der Aktivität 5, 6 Wirkung ionisierender Strahlung Strahlenschutz Medizin, natürl. Strahlenbelastung 5, 6 Kernspaltung Kernkraftwerke (kommt in Klasse 10 bei Thermodynamik) z.b. Gruppenpuzzle oder Kurzvorträge

22 Einheit: Elektrizitätslehre 20+3 Std 1, 2, 3, 4 Wdh. elektr. Größen Ladung, Stromstärke 1, 2, 3, 4 Elektrische Spannung Definition 1, 2, 3, 4 Elektrische Energie und Leistung 1, 2, 3, 4 Wechselspannung Veranschaulichung am Oszilloskop 5, 6 Gefahren des el. Stroms Notaus, Fehlerstromschalter, Hausnetz - Elektromotor Schutzleiter Bestandteile, Grundprinzip 1, 2, 3, 4 Lorentzkraft Drei-Finger-Regel 1, 2, 3, 4 Elektromagn. Induktion Überblick: Induktion durch - Leiterbewegung - Flächenänderung - Magnetfeldänderung Generator als Umkehrung des Motors 1, 2, 3, 4, 5, 6 Transformator Demonstration von Hochspannungs- und Hochstromtransformator Übungen und Vertiefungen zum Kerncurriculum z.b. Praktikum zur E- Lehre o.ä. Einheit: Elektronik 5+3 Std 1, 2, 5,6 Halbleiter Übungen und Vertiefungen 1, 2, 5, 6 Diode zum Kerncurri- 1, 2, 5, 6 Transistor als Schalter und Verstärker (W) Feldeffekt-Transistor culum z.b. Praktikum zur Elektronik o.ä.

23 Klasse 10 Einheit: Kinematik und Dynamik Std 1, 2, 5 Bewegungen in Diagrammen darstellen Schülerversuche geeignet 1, 2, 3, 4, 5 Geradlinig gleichförmige Bewegung Diagramme Durchschnittsgeschw. Momentangeschw. Versuche mit fahrbaren Kästen 1, 2, 5 Gleichmäßig beschleunigte Bewegung 1, 2, 5 Der freie Fall Videoanalyse möglich 1, 2, 5 Anwendung: Verkehrsphysik Software und Filmmaterial zur Veranschaulichung 1, 2, 5 Newtonsche Axiome, Trägheit 1, 2, 5 Kräftegleichgewicht Unterschied zu actio = reactio verdeutlichen 1, 2, 5 Kräfteaddition Zeichnerisch, Spezialfälle rechnerisch 1, 2, 5 Kräftezerlegung Bei schiefer Ebene rechnerisch, Hangabtriebskraft, Normalkraft 1, 2, 5 Reibung 1, 2, 5 Wurfbewegungen Waagerechter Wurf Senkrechter Wurf 1, 2 Der Impuls 1, 2, 3 Kraft bewirkt Impulsänderung p = F t 1, 2, 3, 4 Modellbildung (W) Softwareeinsatz Übungen und Vertiefungen zum Kerncurriculum z.b. Projekt Fahrrad- Fahrtenschreiber Einheit: Erhaltungssätze 15+4 Std 1, 2, 3, 4, 5, 6 1, 2, 5 Energieerhaltungssatz der Mechanik Mechanische Arbeit Übungen und Vertiefungen zum Kerncurriculum z.b.: elastische/unelastische 1, 2, 3 Lageenergie, Bewegungsenergie, Spannenergie Stoß- vorgänge 1, 2, 5 Impulserhaltung

24 Einheit: Kreisbewegung 10+5 Std 1, 2, 5 Zentrifugalkraft (W) Unterschied zur Zentripetalkraft verdeutlichen 1, 2, 3, 4, 5, 6 Anwendungen Möglichkeiten: Kurvenfahren, Kettenkarussel, Kugelrinne, Rotor, Looping 1, 2, 5 Drehimpuls und Kreisel 1,2, 5 Gravitation, Himmelsmechanik 6 Historische Entwicklung von Weltbildern (W) Satellitenbewegung Besuch eines Planetariums sinnvoll 1, 2, 5 Beschreibung der Kreisbewegung 1, 2, 5 Zentripetalkraft Übungen und Vertiefungen zum Kerncurriculum z.b.: Eine Formel für die Zentripetalkraft Einheit: Thermodynamik 5+3 Std 1, 2, 5 Wdh.: Die absolute Temperatur 1, 2, 5 Energieentwertung und Entropie 5, 6 Mensch und Energie Der Treibhauseffekt Übungen und Vertiefungen zum Kerncurriculum Entropie bei reversiblen Machinen