Berufsoberschule

Ausbildungsrichtung Technik

PHYSIK

Fachprofil: Die Naturwissenschaften bestimmen heute das Denken des Menschen, seine Einstellung zu Natur und Umwelt sowie sein Handeln in hohem Maß. Dem Physikunterricht kommt zusammen mit dem Unterricht in Chemie und Technologie/Informatik die Aufgabe zu Interesse an natur­wissenschaftlichen Fragestellungen zu wecken und die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, durch vertiefte Kenntnisse die Zusammenhänge in Natur und Technik besser zu verstehen.

Im Physikunterricht sollen folgende übergeordnete Ziele angestrebt werden: - Verständnis für die exakte Festlegung physikalischer Größen; - Einsicht in die zentrale Bedeutung des Experimentes in der Physik; - Fähigkeit, Experimente zu beschreiben, durchzuführen, auszuwerten und die Genauigkeit von Messergebnissen zu beurteilen; - Gewandtheit im Gebrauch der Fachsprache sowie im Umgang mit Formeln und Größengleichungen; - Einsicht, dass Gesetze und Modelle nur innerhalb bestimmter Grenzen ihre Gültigkeit haben; - Bewusstsein, dass physikalische Erkenntnisse in der Technik Anwendung finden; - Offenheit fiir Probleme des Umweltschutzes und Bereitschaft durch sparsamen Umgang mit Rohstoffen zur Verbesserung der Umweltbe­

dingungen beizutragen; - Einsicht in die Notwendigkeit von Maßnahmen zur Unfallverhütung.

Ausgehend von den Lerninhalten der Haupt- und Berufsschule und den bisherigen Berufserfahrungen der Schüler sollen physikalische Begriffe und Strukturen erarbeitet und physikalische Methoden entwickelt werden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der physikalisch sachgerechten Darstellung und ihrer exakten fachsprachlichen Formulierung.

In der Jahrgangsstufe 12 werden Inhalte der schon in der Vorbildung der Schüler behandelten Themenbereiche wieder aufgegriffen, vertieft und unter verstärkter Einbeziehung der Mathematik weitergeführt. Ein Ziel dieser Stufe ist es grundlegende Begriffe der Mechanik wie Kraft, Impuls und Energie, zu vertiefen. Der Schwerpunkt dieser Jahrgangsstufe liegt in der Betrachtung von elektrischem Feld und Magnetfeld. Auf die Analogie zwischen elektrischem Feld und Magnetfeld kann hingewiesen werden. Das Denken der Schülerinnen und Schüler in Analogien soll dadurch gefördert werden.

In Jahrgangsstufe 13 sollen die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass im Experiment beobachtbare Phänomene teilweise nur mit Hilfe unterschiedlicher abstrakter Modelle zu verstehen sind. Die im Mathematikunterricht erworbenen Kenntnisse ermöglichen es, dynamische Prozesse durch Differenzialgleichungen zu beschreiben. Die Kenntnis von Grundlagen der Wellen- und Quantentheorie und der Relativitäts-

theorie soll den Schülerinnen und Schülern den Zugang zu technischen oder naturwissenschaftlichen Studiengängen erleichtern.

Der zunehmenden Bedeutung des Computers in Forschung und Technik als Hilfsmittel bei Simulation und Messwerterfassung bzw. -Ver­arbeitung soll im Unterricht Rechnung getragen werden. Die enge Verzahnung der Physik mit Mathematik, Technologie/Informatik und Chemie, die auch den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht werden soll, erfordert eine intensive Zusammenarbeit der Lehrkräfte.

Jahrgangsstufe 12

Lerngebiete: 12.1 Geradlinige Bewegung 30 Std. 12.2 Kraft und Masse 12 Std. 12.3 Kreisbewegung 13 Std. 12.4 Arbeit, Energie, Leistung, Impuls 28 Std. 12.5 Mechanische Schwingung 19 Std. 12.6 Gravitation 10 Std. 12.7 Elektrisches Feld 44 Std. 12.8 Magnetisches Feld und Induktion 42 Std.

Summe 198 Std.

LERNZIELE LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT

12.1 Geradlinige Bewegung 30 Std.

12.1.1 Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit

Die Schülerinnen und Schüler kön­nen Bewegungsabläufe in Abhän­gigkeit vom Bezugssystem be­schreiben und verschiedenen Grundbewegungsarten zuordnen. Aus der Beobachtung einer gerad­linigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit sind sie in der Lage mit Hilfe von Bezugssyste­men die Ortsveränderungen zu be­schreiben und mit geeigneten Dia­grammen graphisch darzustellen. Sie können Problemstellungen aus der geradlinigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit rech­nerisch und zeichnerisch lösen. Sie erfahren, dass Bewegungen sich unabhängig voneinander überlagern können, und sind in der Lage dieses Prinzip anzuwenden.

Grundbewegungsarten: - Translation - Rotation

Bewegung als Ortsveränderung in einem Be­zugssystem

Beschreibung der Bewegung mit Hilfe von Ortsvektoren und Koordinaten

Abhängigkeit der Beschreibung von der Wahl des Bezugssystems

Geschwindigkeit als abgeleitete Größe: A X

V = At

Geschwindigkeit als Vektor; Unterscheidung zwischen Betrag und Koordinate

Koordinatengleichung: x = xn + v t

Einfache Bewegungen aus dem beruflichen Erfahrungsbereich der Schüler aufgreifen

Verdeutlichen, dass die Begriffe "Ruhe" und "Bewegung" relativ sind

Darstellungen von Bewegungen im - x(t)-Diagramm - v(t)-Diagramm

Auswerten von Fahrbahnmessdaten

Interpretation von

- Geradensteigung im x(t)-Diagramm - Fläche im v(t)-Diagramm

Vektorielle Addition von Geschwindigkeiten: Z.B. Bewegung eines Flugzeugs bei Seitenwind - Berechnung nur im rechtwinkligen Dreieck - graphische Lösung auch bei beliebigen

Winkeln zwischen den Vektoren

12.1.2 B ewegung mit konstanter Beschleunigung

Die Schülerinnen und Schüler ver­stehen die physikalische Definition der Beschleunigung und können die Gesetzmäßigkeiten der geradli­nigen Bewegung mit konstanter Beschleunigung aus Messwerten durch graphische und rechnerische Methoden entwickeln. Durch die Diskussion der Auswertungen er­schließt sich ihnen der Einfluss von Anfangsbedingungen einer geradlinigen, konstant beschleu­nigten Bewegung. Sie entwickeln die allgemeinen Bewegungsglei­chungen und wenden diese auch im Hinblick auf die Überlagerung beschleunigter Bewegungen an.

Beschleunigung als abgeleitete Größe: AV

Auswertung von Messversuchen

a = At

Beschleunigung als Vektor

Mittlere Geschwindigkeit Momentangeschwindigkeit

Darstellung der Bewegung mit - x(t)-Diagramm - v(t)-Diagramm - a(t)-Diagramm

Koordinatengleichungen: v = v0 + a-t

x = xft + vn-t + —-a-t o o 2

v2 - v02 = 2-a-AX

Freier Fall, Messung der Fallbeschleunigung

Beschreibung, Berechnung und graphische Darstellung ausgewählter, reibungsfreier Be­wegungen: - Überhol- und BegegnungsVorgänge - senkrechter Wurf - waagrechter Wurf

Vergleich mit Sekantensteigung und Tangentensteigung im Ma­thematikunterricht

12.2 Kraft und Masse

Die Schülerinnen und Schüler er­schließen sich durch Auswerten geeigneter Versuchswerte den Zu­sammenhang zwischen Kraft, Mas­se und Beschleunigung. Sie sind in der Lage diesen Zusammenhang unter Zuhilfenahme von Kräfteplä­nen anzuwenden.

Erstes Newton'sches Gesetz (Trägheitsprin­zip)

Zweites Newton'sches Gesetz (F = nva)

Drittes Newton'sches Gesetz (Wechselwir­kungsprinzip)

Kräftepläne

Bewegungen mit und ohne Reibung: - Antriebs- und Bremsvorgänge - geneigte Ebene

Messversuche und Auswertung an einer horizontalen Fahrbahn Die konstante Beschleunigung kann durch eine umgelenkte Ge­wichtskraft bewirkt werden.

Herausstellen, dass die Summe aller auf einen Massenpunkt wir­kenden Kräfte die resultierende Kraft ist, die den Körper be­schleunigt.

Anwendungsbeispiele aus dem Straßenverkehr heranziehen

12.3 Kreisbewegung

Anknüpfend an die Grundbegriffe der geradlinigen Bewegung wer­den die Schülerinnen und Schüler mit den charakteristischen Größen einer Kreisbewegung mit konstan­ter Winkelgeschwindigkeit ver­traut. Sie erkennen, dass die Kreis­bewegung eine beschleunigte Be­wegung ist, die eine Kraft erfor­dert. Anhand verschiedener Bei­spiele werden die Schülerinnen und Schüler befähigt Kreisbewe­gungen aus der Natur und der Technik quantitativ zu erfassen.

Umlaufdauer Drehfrequenz Winkelgeschwindigkeit Bahngeschwindigkeit Zentralbeschleunigung

2 V ' CO T = —

Zentralkraft

Zentrifugalkraft im rotierenden Bezugssystem

Verdeutlichen, dass stets gilt: a _L V

Formel deduktiv herleiten

Experimentelle Untersuchung der Zentralkraft

Herausstellen, dass ein Körper, der im ruhenden Bezugssystem eine Kreisbewegung beschreibt, im entsprechenden rotierenden Bezugssystem ruht

Beispiele für Anwendungsaufgaben: Erdrotation, Zentrifuge, Kettenkarussell, Fahrzeuge auf Kreisbahnen, Kurvenüberhöhung Auf das Erstellen von Kräfteplänen unter Beachtung des Bezugs­systems sollte besonderer Wert gelegt werden.

12.4 Arbeit, Energie, Leistung, Impuls

12.4.1 Ausgehend vom Arbeits­begriff der Mittelstufe erkennen die Schülerin­nen und Schüler, dass die an einem Körper verrich­tete Arbeit gleich seiner Energieänderung ist. An­hand von Beispielen sol­len die Schülerinnen und Schüler die Tragfähigkeit des Energieerhaltungs­satzes als wirksames In­strument zur Lösung phy­sikalischer Aufgaben er­kennen und zur selbstän­digen Anwendung fähig werden.

Arbeit bei konstanter Kraft als Skalarprodukt von Kraft und Weg

Interpretation der Fläche im F(x)-Diagramm als Arbeit auch bei nicht konstanter Kraft

Arten von Arbeit: - Hubarbeit - Beschleunigungsarbeit - Reibungsarbeit - Spannarbeit

Energie als Arbeitsvermögen eines Körpers: - potentielle Energie:

Lageenergie Spannenergie

- kinetische Energie - Wärmeenergie

Vorbereitung des Integralbegriffs Formulierung der Arbeit als bestimmtes Integral dann, wenn das Integral im Mathematikunterricht eingeführt worden ist

Am Sonderfall der geneigten Ebene kann die Unabhängigkeit der Hubarbeit vom Weg gezeigt werden.

Herleitung mit Hilfe des F(x)-Diagramms

Gesetz über die Energieerhaltung in einem abgeschlossenen System

Heranziehen von Beispielen: freier Fall, Fadenpendel, Federpen­del, Schleifenbahn, Pumpspeicherwerk Sonderfall: Erhaltung der mechanischen Energie in einem rei­bungsfreien, abgeschlossenen System

Erweiterung des Arbeitsbegriffs: W = AE

Mittlere Leistung: P ° m

Leistung:

Wirkungsgrad

AE

At

P = E

P = F • v

Unabhängigkeit der Hubarbeit vom Weg herausstellen Klarstellen, dass an einem Körper negative Arbeit verrichtet wird, wenn dessen Gesamtenergie abnimmt

Beispiele: Auto, Kraftwerk, Mensch

12.4.2 D ie S chülerinnen und Schüler verstehen, dass das Impulserhaltungsge­setz eine Erweiterung der Newton'schen Gesetze ist. Sie lernen an ausgewähl­ten Beispielen die Gesetze zur Erhaltung der Energie und des Impulses zur Lö­sung einfacher Aufgaben zur Mechanik anzuwen­den.

Impuls als vektorielle Größe

F = P

Gesetz der Impulserhaltung

Vollelastischer zentraler Stoß Unelastischer zentraler Stoß

Herausstellen, daß dies eine Verallgemeinerung des zweiten Newton'schen Gesetzes ist.

Hinführung mit Hilfe des dritten Newton'schen Gesetzes Anwendungsbeispiele: Raketenantrieb, ballistisches Pendel

12.5 Mechanische Schwingun­gen

12.5.1 Anhand von Demonstra­tionsexperimenten erhal­ten die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in die Bedeutung periodisch ablaufender Bewegungs­vorgänge in Natur und Technik und werden mit den wichtigsten Größen einer Schwingung ver­traut. In der experimentel­len und theoretischen Auseinandersetzung mit ausgewählten schwin­gungsfähigen Systemen lernen die Schülerinnen und Schüler die Gesetz­mäßigkeiten von harmo­nischen Schwingungen kennen.

Schwingung als periodischer Vorgang Periodendauer, Frequenz, Elongation, Amplitude Dämpfung

Harmonische Schwingung Sinusförmiger Verlauf der Koordinaten von Elongation, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Rückstellkraft Kreisfrequenz Bewegungsgleichungen bei verschiedenen Anfangsbedingungen Linien- und Zeigerdiagramm

Lineares Kraftgesetz, Richtgröße, Differenzialgleichung der harmonischen Schwingung Zusammenhang zwischen Periodendauer, Richtgröße und Masse

Untersuchung verschiedener schwingungs­fähiger Systeme auf Gültigkeit des linearen Kraftgesetzes

Vorführung verschiedener schwingungsfähiger Systeme

Parallelprojektion einer Kreisbewegung mit konstanter Winkel­geschwindigkeit experimentell mit einer harmonischen Schwin­gung vergleichen

An diesem Beispiel soll den Schülern der Begriff "Differenzial­gleichung" erläutert werden. Der Zusammenhang wird mit Hilfe der Differenzialgleichung hergeleitet.

Beispiele für schwingungsfähige Systeme: Federpendel, schwin­gende Flüssigkeitssäule im U-Rohr, Fadenpendel

12.5.2 Aufbauend auf dem schon bekannten Energiebegriff lernen die Schülerinnen und Schüler eine Schwin­gung als einen Vorgang periodischer Energieum­wandlung kennen. Sie können die Energien bei einer harmonischen Schwingung berechnen.

Periodische Umwandlung potentieller und kinetischer Energie

Rechnerischer Nachweis der Zeitunabhängig­keit der Gesamtenergie

12.5.3 Am Experiment erkennen die Schülerinnen und Schüler das unterschiedli­che Verhalten schwin­gungsfähiger Systeme bei einmaliger und bei peri­odischer Anregung. Sie beobachten das Phänomen der Resonanz und können die Vorgänge qualitativ beschreiben.

Freie Schwingung Eigenfrequenz

Elastische Kopplung Erzwungene Schwingung Abhängigkeit der Resonatoramplitude und der Phasenverschiebung von der Erregerfrequenz Resonanz

Freihandversuche mit Federpendel

Nur qualitativ betrachten Computersimulation

Beispiele für erwünschte und unerwünschte Resonanz, Res onanzkatastrophe

12.6 Gravitation

12.6.1 Ausgehend von einem historischen Ansatz ma­chen sich die Schülerin­nen und Schüler mit den keplerschen Gesetzen vertraut. Ihnen wird be­wusst, dass es sich hier um empirische Gesetze handelt. Sie können da­mit die Bewegungen der Planeten und der Raum­körper beschreiben und einfache Anwendungs­aufgaben lösen.

Erstes Keplergesetz Zweites Keplergesetz Drittes Keplergesetz

Veranschaulichung der Gesetze durch Computersimulation

12.6.2 Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass zwischen Massen Wech-selwirkungskräfte auf­treten, die man Gravita­tionskräfte nennt. Sie er­kennen, dass die Ge­wichtskraft eine Gravita­tionskraft ist. Sie erlan­gen die Fähigkeit das Gravitationsgesetz an­zuwenden, und können einfache Bewegungen unter der Wirkung der Gravitationskraft berech­nen.

Gravitationsgesetz F Gr = ^ . m f m 2

- natürliche und künstliche Satelliten - Synchronsatellit - gravitationsfreier Punkt zwischen zwei

Massen

Massen- und Bahnberechnungen mit Hilfe des Gravitationsgeset­zes

12.7 Elektrisches Feld

12.7.1 Die Schülerinnen und Schüler kennen die Kraft­wirkung zwischen elek­trisch geladenen Körpern.

Ladungstrennung, Einheit der Ladung

Anziehende und abstoßende Kraft zwischen geladenen Körpern

Radialsymmetrisches elektrisches Feld

Technische Anwendung: Luftreinigung, Kopierer

Veranschaulichung elektrischer Felder durch Feldlinien

Grießkörnerversuch, Computereinsatz

Coulombgesetz: F IQ1Q2 el

4-71-s,

Definition der elektrischen Feldstärke:

F. E = el

Betrag der elektrischen Feldstärke im Cou­

lombfeld: E = 1 . I Q I 4-7f8,

q ist eine positive Probeladung Die Richtung von E ist gleich der Richtung der elektrischen Kraft auf eine positive Probeladung.

12.7.2 Die S chülerinnen und Schüler verstehen die elektrische Spannung als Potentialdifferenz.

Verschiebungsarbeit im Coulombfeld

Definition des Potentials

Spannung als Potentialdifferenz

Potential im Coulombfeld

Das Bezugsniveau kann entsprechend der Aufgabenstellung be­liebig gewählt werden.

Messung, z.B. mit der Flammensonde

12.7.3 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Kondensator einer­seits zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Feldes, andererseits zur Ladungs- und Energiespeicherung dient.

Homogenes elektrisches Feld eines Platten­kondensators

Feldstärke, Verschiebungsarbeit, Potential und Spannung im homogenen elektrischen Feld

Influenz

Flächenladungsdichte

Zusammenhang zwischen Flächenladungs­dichte und Feldstärke

Definition der Kapazität

Kapazität des Plattenkondensators Dielektrikum, Dielektrizitätszahl eR

Reihen- und Parallelschaltung zweier Kon­densatoren

Versuch mit den Influenzplatten

Auf technische Kondensatoren hinweisen

Energieinhalt eines Kondensators

12.7.4 Die S chülerinnen und Schüler verstehen das Millikan-Experiment und seine Bedeutung.

Millikan-Experiment Elementarladung

Beschränkung nur auf den Schwebefall

12.7.5 Die Schülerinnen und Schüler können die Bewe­gung von geladenen Teilchen im elektrischen Feld berechnen.

12.8 Magnetisches Feld und Induktion

Glühemission

Bewegung von geladenen Teilchen im homo­genen dektris chen Feld, wobei v0 x E oder

Prinzip des Oszilloskops

Die Analogie zum senkrechten und waagrechten Wurf aufzeigen Betonen, dass im elektrischen Feld die Gewichtskraft auf ein Elektron grundsätzlich vernachlässigbar ist

12.8.1 Ausgehend von der Kraft­wirkung eines Permanent­magneten lernen die Schülerinnen und Schüler das Magnetfeld als weite­res Kraftfeld kennen. Sie können es mit Hilfe von Feldlinien beschreiben.

Magnetfeld von Permanentmagneten Magnetfeld stromdurchflossener Leiter

Feldlinien Die Richtung des Feldes ist gleich der Richtung der Kraft auf den Nordpol eines Probemagneten

12.8.2 Aufbauend auf der Erkenntnis, dass ein Mag­netfeld auf einen strom-durchflossenen Leiter eine Kraft ausübt, verstehen die Schülerinnen und Schüler die Definition der Flussdichte als feldbeschreibende Größe.

12.8.3 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter durch die Lorentzkraft erklärt werden kann. Sie kön­nen mit Hilfe der Lo­rentzkraft die Bahn ge­ladener Teilchen beschreiben und rechne­risch erfassen.

Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter

Definition des Betrags der Flussdichte: F

B = I-

F = I-(«xB)

Lorentzkraft

Fm = Q-(vxg)

Halleffekt

Proportionalität der Hallspannung zum Betrag der Flussdichte Kreisbahn geladener Teilchen im Magnet­feld

Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr

Demonstrationsversuche mit der Leiterschaukel, Drehspule und Paralleldrahtleitung Hinweis aufdie Definition der Einheit Ampere

Im Messversuch mit der Stromwaage F ~ I und F ~ I zeigen

Anwendung des aus der Mathematik bekannten Vektorpro­dukts Hinweis aufdie "Dreifingerregel" Anwendungen in der Technik: Elektromotor, Drehspulmess-werk

Berechnungen nur für den Fall

v senkrecht zu B

Auf analoge Zusammenhänge beim Magneto-hydrodyna­mischen Generator kann verwiesen werden. Messung der magnetischen Flussdichte mit Hilfe der Hall­sonde

Überlagerung von magnetischem und elektrischem Feld: Wienfilter

12.8.4 Durch das Ausmessen von Spulenfeldern soll sich den Schülerinnen und Schülern die Ge­setzmäßigkeit für die Flussdichte im Inneren einer langgestreckten, leeren Spule erschlie­ßen.

Magnetische Flussdichte in einer langge­streckten, leeren Spule

Magnetische Feldkonstante u0

Messversuch mit der Hallsonde

12.8.5 D i e S chülerinnen und Schüler können das Ent­stehen einer Induktions­spannung in einem be­wegten Leiter mit Hilfe der Lorentzkraft erklä­ren und berechnen. Sie erfahren, dass die In­duktionsspannung all­gemein durch das In­duktionsgesetz beschrieben wird, kön­nen dieses anwenden und sind sich der Viel­fältigkeit der technischen Anwendun­gen bewusst.

Induktionsspannung

Induktionsspannung an einem im homoge­nen Magnetfeld bewegten Leiter |U,| =B-«-v

Magnetischer Fluss

CD = B-Ä

|Uj| = Nj-|®|

Lenzsche Regel

Induktionsgesetz

Ui= -Nj-cD

Erzeugung von konstanter und sinusförmi­ger Induktionsspannung Effektivwert

Demonstrationsversuche

Messversuch

Messversuch => |TJ.| = N>B'|Ä.|

Messversuch => |TJ.| = N--A.-|B|

Einübung u. a. an Beispielen zur offenen und geschlossenen Leiterschleife; dabei auch rechnerische Bestätigung der Energieerhaltung

Generator, Mikrofon können als Beispiele zur technischen Anwendung besprochen werden.

Auf das Auftreten von Wirbelströmen sollte eingegangen werden.

12.8.6 D i e S chülerinnen und Schüler erfahren anhand von Experimenten, dass Selbstinduktionsspan­nungen auftreten, und kennen den Zusammen­hang zwischen Indukti­vität und Induktions­spannung. Ihnen wird bewusst, dass im Mag­netfeld einer stromdurchflossenen Spule magnetische Energie gespeichert ist.

Selbstinduktionsspannung

Induktivität einer langgestreckten Spule: N 2

L= | i -A-—- mit u = (i0-!UR

U ;= -L-I

Energieinhalt einer stromdurchflossenen Spule

E.-J-L.I»

Ein- und Ausschaltvorgänge demonstrieren

Daraufhinweisen, dass durch diese Gleichung die Induktivi­tät einer beliebigen Spule festgelegt wird UL = - Uj soll eingeführt werden

Hinweis auf den Energieinhalt eines Kondensators

12.8.7 Die Schülerinnen und Schüler verstehen den Zusammenhang von Strom und angelegter Wechselspannung bei einfachen elektrischen Bauteilen.

Ohmscher Widerstand, induktiver und ka­pazitiver Widerstand bei sinusförmiger Wechselspannung

Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom

Zeigerdiagramme verwenden

Keine Verknüpfung von elektrischen Bauteilen

PHYSIK, Jahrgangsstufe 13

Lerngebiete: 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

Elektromagnetische Schwingungen Wellenphänomene Spezielle Relativitätstheorie Dualismus Welle-Teilchen Physik des Aufbaus der Materie

33 Std. 38 Std. 10 Std. 30 Std. 54 Std.

Summe 165 Std.

LERNZIELE LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT

13.1 Elektromagnetische Schwingungen

13.1.1 Aufbauend auf ihren Kenntnissen über ohm-sche, induktive und ka­pazitive Widerstände im Wechselstromkreis, ver­stehen die Schülerinnen und Schüler das Zusam­menwirken von Wech­selstromwiderständen. Sie sind in der Lage, Berechnungen unter Berücksichtigung der Gesetzmäßigkeiten für die Reihen- bzw. Par­allelschaltung durch­zuführen.

Ohmscher, induktiver und kapazitiver Wi­derstand an sinusförmiger Wechselspan­nung Erweiterung auf reine Reihen- bzw. Paral­lelschaltung von maximal drei idealen Schaltelementen Funktionsgraphen Zeigerdiagramme Phasenverschiebungen Leistung Die Bedeutung der Wirkleistung ist hervorzuheben.

13.1.2 In der experimentellen und theoretischen Aus­einandersetzung mit dem elektrischen Schwingkreis lernen die Schülerinnen und Schü­ler die Gesetzmäßig­keiten der mecha­nischen Schwingungen sinngemäß aufdie elek­tromagnetischen Schwingungen zu über­tragen.

Geschlossener elektromagnetischer Schwingkreis - Entladung eines Kondensators über eine

Spule - gedämpfte elektromagnetische Schwin­

gung - Ursache der Dämpfung

Herleitung der Differentialgleichung der ungedämpften elektromagnetischen Schwingung aus UL + Uc = 0 Herleitung der Thomson-Gleichung aus der Differenzialgleichung der ungedämpf­ten elektromagnetischen Schwingung Eigenfrequenz Zeitliche Abhängigkeit von: - Ladung - Stromstärke - Spannung - Energie

Spannungs- und Stromverlauf experimentell aufnehmen Vergleich mit dem mechanischen Pendel

Nur qualitativ betrachten

Die Analogie zum mechanischen Oszillator herausstellen

Experimentelle Bestätigung der Thomson-Gleichung

Nachweis der Energieerhaltung im unge­dämpften elektromagnetischen Schwing­kreis Nachweis, dass andererseits die Energie­erhaltung zur Differenzialgleichung der ungedämpften elektromagnetischen Schwingung führt

Hinweis aufdie Analogie zum mechanischen Oszillator

13.1.3 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das aus der Mechanik bekannte Phänomen der Resonanz auch bei elek­trischen Systemen be­obachtbar ist. Sie kön­nen die Vorgänge bei der erzwungenen Schwingung qualitativ beschreiben. Sie lernen das Rückkopplungsprin­zip zur Erzeugung un­gedämpfter elektromag­netischer Schwingungen kennen.

Erzwungene elektromagnetische Schwin­gung

Energieübertragung durch Kopplung Amplitude und Phasenverhalten in Abhän­gigkeit von der Erregerfrequenz Resonanz Meißner-Rückkoppelschaltung

Analogie zur erzwungenen mechanischen Schwingung be­trachten

Resonanzkurve aufnehmen Nur qualitativ behandeln

Bedeutung der Rückkopplung in Regelkreisen vgl. Techno­logielehrplan

13.1.4 Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass in einem Dipol eine elektromagnetische Schwingung möglich ist. Sie erkennen, dass von einem solchen Di­pol eine elektromagneti­sche Strahlung ausge­sandt wird.

Übergang vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis Stromstärke und Ladungsverteilung im

- -Dipol 2 E - und B-Feld in der Fernzone Empfang elektromagnetischer Strahlung als Resonanzerscheinung

Aufdie Maxwell'sche Verknüpfung der Felder kann hinge­wiesen werden.

13.2 Wellenphänomene

Die Schülerinnen und Schüler lernen die grundlegenden physika­lischen Begriffe und Phänomene der Wellen­lehre kennen. Verglei­chende Experimente mit mechanischen bzw. elektromagnetischen Wellen lassen sie die Wellenphänomene ver­stehen. Sie beherrschen Methoden zur Bestim­mung der Wellenlänge und erkennen den Wel­lencharakter des Lichts.

Entstehung und Ausbreitung der Längs­und Querwelle bei harmonisch schwingen­dem Erreger

Energietransport

Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Frequenz und Betrag der Ausbreitungs­geschwindigkeit

Gleichung der fortschreitenden harmoni­schen Querwelle - Momentanbild der harmonischen Welle - zeitlicher Verlauf der harmonischen

Schwingung am Ort x

An Wellen anknüpfen, die aus dem täglichen Leben bekannt sind: Wasserwellen, Seilwellen, Schallwellen, elektromagne­tische Wellen, Licht Versuche mit der Wellenmaschine, der Wellenwanne und dem Federwurm durchführen Dipolstrahlung als elektromagnetische Welle darstellen

Herausstellen, dass die transportierte Energie proportional zum Quadrat der Amplitude ist

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle im Vakuum mitteilen

Es soll nur die lineare mechanische Welle betrachtet werden.

Wellenfront Beugung

Die Beugung z. B. von Wasserwellen, Schallwellen, Dipol­strahlung, Licht im Experiment zeigen

Interferenz zweier Kreiswellen - Gangunterschied - Bedingungen für Maxima und Minima

der Überlagerungsamplitude Die Überlagerungsamplitude kann mit Hilfe eines Zeigerdia­gramms ermittelt werden.

Interferenz am Doppelspalt Spezialfall: Interferenz von Licht am

optischen Gitter kontinuierliche Spektren und Linienspektren

Überblick über das elektromagnetische Spektrum

Interferenzversuche z. B. mit Wasserwellen, Mikrowellen, Licht durchführen Am optischen Gitter nur die Hauptmaxima betrachten Den Zusammenhang der Farbe mit der Wellenlänge bzw. der Frequenz herausstellen Auf Spektralanalyse hinweisen

Polarisation - Schwächung des Empfangs bei nicht

parallelen Dipolen - Metallgitter zwischen Dipolen - Polarisationsfolien bei Licht - Keine Behandlung der Doppelbrechung

Stehende Welle Schwingungsknoten, Schwingungsbauch Grund- und Oberschwingung

Akustischer Dopplereffekt - relativ zum Medium bewegter Empfän-

( y ger: fE = f„ 1 ± v

c

Auf den Zusammenhang P ~ E hinweisen

Auf Polarisation durch Reflexion kann hingewiesen werden. Anwendungen aufzeigen z. B. Spannungsoptik, Zuckerbe­stimmung in der Medizin

Analogiebetrachtung zwischen mechanischen stehenden Wellen und elektromagnetischen stehenden Wellen Dipolschwingung als stehende Welle interpretieren Unterschiede zwischen fortschreitender und stehender Welle herausarbeiten

fE : Empfangsfrequenz fs : Sendefrequenz v und c sind hier die Beträge der Geschwindigkeiten.

relativ zum Medium bewegter Sender:

fE = fs" 1 , 1

Beispiel : vorbeifahrendes Fahrzeug mit Martinshorn

13.3 Spezielle Relativitäts­theorie

13.3.1 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Sonderstellung elektro­magnetischer Signale im Vakuum hinsichtlich ihrer stets konstanten Ausbreitungsgeschwin­digkeit. Die geradezu paradox erscheinende Konsequenz dieser Er­kenntnis führt sie zu dem Bewusstsein, dass Zeit und Raum keine absoluten Größen sind, sondern abhängig vom jeweiligen Be­obachtungssystem wahrgenommen wer­den.

Michelson-Experiment Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Relativitätsprinzip

Beschreibung des Versuchs und Diskussion der Ergebnisse Unabhängigkeit vom Bezugssystem herausstellen; Gegen­satz z. B. zur Schallausbreitung aufzeigen

Gedankenexperiment; Betrachtung von relativ zueinander bewegten Bezugssystemen; Synchronisation von Uhren

13.3.2 Ausgehend von einem Experiment erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die Masse eines Körpers von sei­ner Geschwindigkeit abhängt. Sie erfahren, dass Masse und Energie äquivalente Größen sind und begreifen, dass die aus Jahrgangsstufe 12 bekannte Formel für die kinetische Energie nur bei kleinen Geschwin­digkeiten gilt.

Versuch von Bucherer

Abhängigkeit der Masse von der Ge­schwindigkeit:

1 m = mA-

N i -r

Ruhemasse m0

Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwin­digkeit für Teilchen

Äquivalenz von Masse und Energie E = m • c2

Ruheenergie Kinetische Energie Bewegung relativistischer Teilchen in Fel­dern

Mitteilung und Erläuterung der relativistischen Formel

Gleichung mitteilen und aufdie historische Bedeutung hin­weisen

Für v « c mittels der Näherung

x (i - X) 2 « 1 + - für 0 < x <c 1

aus m = m o 1 - V"

13.4 Dualismus Welle-Teil­chen

m-c~ ~ mn-c~

Ekin = m-c2 - m0-c2

13.4.1 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Photoeffekt dem Wellenmodell des Lichts widerspricht. Sie verstehen, dass die be­obachtbaren Phänomene durch das Einstein'sche Modell des Photons er­klärt werden und kön­nen den Zusammenhang zwischen der Frequenz und der kinetischen Energie der Photoelek­tronen anwenden.

13.4.2 Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass Photonen eine Masse und einen Impuls haben. Sie können entsprechen­de Phänomene erklären und rechnerisch erfas­sen.

Äußerer Photoeffekt Sättigungsstromstärke nach Anlegen einer Saugspannung

Messung der kinetischen Energie der Pho­toelektronen mit der Gegenfeldmethode Widersprüche zum Wellenmodell: - Existenz einer Grenzfrequenz - sofortiges Einsetzen des Effekts - Unabhängigkeit der kinetischen Ener­

gie von der Bestrahlungsstärke - Abhängigkeit der kinetischen Energie

von der Frequenz

Einstein'sche Gleichung Lichtquanten (Photonen) Planck'sches Wirkungsquantum h

Masse und Impuls eines Photons Phänomene, deren Verständnis Masse und Impuls von Photonen erfordern: - Ablenkung und Frequenzänderung im

Gravitationsfeld - Auslenkung eines Spiegels - Compton-Effekt

Versuch nach Hallwachs durchführen Hinweis auf Photovoltaik

Messung mit Vakuum-Photozelle durchführen

Experimentelle Bestimmung von h als Steigung im Ekin(f)-Diagramm

Herleitung der Formel für die Wellenlängenänderung

13.4.3 Die Schülerinnen und Schüler verstehen, wie durch die statistische Deutung der Quanten­theorie das Wellenmo­dell mit dem Teilchen­modell verknüpft wer­den kann.

Stochasfische Verteilung der Photonen Zusammenhang von Amplitudenquadrat der Lichtwelle und Aufenthaltswahr­scheinlichkeit der Photonen

Einsatz von Computersimulation oder Film

13.4.4 Analog zum Dualismus Welle-Teilchen beim Licht verstehen die Schülerinnen und Schü­ler, dass auch Materie­teilchen eine Wahr­scheinlichkeitswelle zugeordnet werden kann. Sie kennen den experimentellen Nach­weis mit der Elektro­nenbeugungsröhre und können dieses Experi­ment erklären.

De-Broglie-Materiewelle Nachweis der Materiewelle mit der Elek­tronenbeugungsröhre Bragg'sche Beziehung Übertragung des Dualismus Welle-Teil­chen auf Materie

Unabhängigkeit der Elementarladung von der Geschwindigkeit

Elektroneninterferenz durch Beugung an Graphitpulver zei­gen

13.5 Physik des Aufbaus der Materie

13.5.1 Atomphysik

Die Schülerinnen und Schüler lernen entspre­chend der historischen Entwicklung verschie­dene Atommodelle ken­nen. Speziell am Bei­spiel des Bohr'schen Atommodells erfahren sie die Leistungsfähig­keit eines Modells. Ih­nen wird bewusst, dass dabei jeweils nur Teil­aspekte der physikali­schen Wirklichkeit be­schrieben werden.

Streuversuch von Rutherford und das zu­gehörige Atommodell

Bohr'sches Atommodell - Bohr'sche Postulate - Herleitung der Energiestufen des Was­

serstoffatoms - Serienformel, Rydbergkonstante - Erweiterung auf andere Einelektronen­

systeme

Versuch von Franck und Hertz, Resonanzfluoreszenz

Röntgenstrahlung - Erzeugung von Röntgenstrahlung - Spektrum der Röntgenstrahlung

- charakteristische Strahlung - Bremsstrahlung

- Gesetz von Moseley für die Ka-Linie - Messung der Wellenlänge durch Inter­

ferenz am Kristallgitter

Versuch nur qualitativ beschreiben

Die Bohr'sche Quantenbedingung kann durch die stehende Materiewelle gewonnen werden.

Aufzeigen, dass die charakteristische Röntgenstrahlung das aus dem Chemieunterricht bekannte Schalenmodell bestätigt. Aufdie Anwendung in Medizin und Technik und die Ge­fährdung durch Röntgenstrahlung soll hingewiesen werden.

Das Gesetz kann mit der Serienformel für Einelektronensys­teme plausibel gemacht werden.

13.5.2 Physik der Atomkerne

Mit Hilfe eines einfa­chen Kernmodells kön­nen die Schülerinnen und Schüler Kernum­wandlungen beschrei­ben. Sie verstehen die Wirkungsweise der wichtigsten Nachweis­geräte für radioaktive Strahlung. Durch Expe­rimente und theoreti­sche Herleitung gewin­nen sie die Gesetzmä­ßigkeiten des radioakti­ven Zerfalls. Die Schü­lerinnen und Schüler können die bei Kern­prozessen umgesetzte Energie erklären und berechnen.

Kernaufbau und -zerfall - Nukleonen - Kernkraft - Massen- und Kernladungszahl - Isotope, Nuklidkarte - a- und ß-Zerfall - Zerfallsreihen

Eigenschaften der a-, ß- und y-Strahlung

Nachweisgeräte Ionisationskammer

- Zählrohr - Nebelkammer

Absorptionsgesetz für ß- und y-Strahlung, Halbwertsdicke Zerfallsgesetz, Halbwertszeit Aktivität Methoden zur Altersbestimmung: l4C-Methode, Uran-Blei-Methode

Auf qualitative Betrachtung beschränken

Beschränkung auf prinzipielle Funktionsweise der Nach­weisgeräte

Kernumwandlungen, Energiebilanzen

initiierte Kernumwandlungen Aktivierung

- freies Neutron

Kernenergie - Atomare Masseneinheit - Massendefekt - Bindungsenergie pro Nukleon - Kernspaltung und -fusion - Energiebilanz bei Kernprozessen

Strahlenschutz Dosimetrie - Energiedosis - Äquivalentdosis

- Sicherheitsbestimmungen Aufdie effektive Aquivalentdosis kann hingewiesen werden.