Klaus-Groth-Schule - Neumünster · Diagramme, Interpretation der Messwerte und Diagramme K, B...

5.2012 - Ra

Klaus-Groth-Schule - NeumünsterFachcurriculum Physik - Sekundarstufe II

Bereiche und SachgebieteDie klassischen wissenschaftlichen Bereiche Mechanik, Optik und Elektrizitätslehre sind ingrundlegenden Teilen auch Bereiche des Oberstufenunterrichts. Die spezielle Relativitätstheorie, dieQuantenphysik und deren Anwendung in der Festkörper-, Atom- und Kernphysik sowie in derAstrophysik gehören ebenfalls zu den Bereichen des Oberstufenunterrichts, die zur Vermittlung einesmodernen Weltbildes unerlässlich sind. Eine Anordnung der Bereiche und der zugehörigenSachgebiete ist durch die Systematik der Physik vorgegeben.

Folgende Sachgebiete werden innerhalb der Bereiche behandelt:

Mechanik:- Kinematik und Dynamik- Mechanische Schwingungen und Wellen

Optik:- Optische Wellen- Interferenz

Elektrische und magnetische Felder- Elektrizitätslehre- Ladungen und Felder- Elektromagnetismus- Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Quantenphysik:- Dualismus Welle – Teilchen- Quantenphysikalische Atommodelle- Quantenphysikalische Unschärfe

Relativitätstheorie:- Spezielle Relativitätstheorie

Astrophysik:- Physik der Sterne

Thermodynamik- Klimaphysik- Energie und Entropie

Festkörperphysik:- Quantenphysik des Festkörpers

Kursthemen für Physik als profilgebendes Fach, angelehnt an den früheren Leistungskurs:

- 10.1: Mechanik- 10.2: Kreisbewegung, mechanische Schwingungen und Wellen- 11.1: Elektromagnetische Wellen und Quantenphysik des Lichts- 11.2: Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern- 12.1: Elemente der Atomphysik- 12.2 (Wahlkurse): Thermodynamik / Kernphysik / Festkörperphysik / Astrophysik / spezielle

Relativitätstheorie

5.2012 - Ra


10.1: Mechanik

Sachgebiet Kinematik und Dynamik:

Teilnahme am Straßenverkehr:- Überholwege und Überholzeiten, Grüne Welle- Bremsen bei unterschiedlicher Fahrbahnbeschaffenheit- Anfahren bei Straßen- und Schienenfahrzeugen- Beschleunigung und Motorleistung- Endgeschwindigkeit und cw-Wert

Bewegungen im Sport:- Fallschirmspringen, Skispringen- Optimierungen: Parameter der maximalen Wurfweite, Wurfbahn und Luftwiderstand,

Hochsprung und Weitsprung

Themen/ Inhalte Kompe-tenzen

Beispiele/ Methoden

t-s-, t-v- und t-a-Diagramme, Interpretationder Messwerte und

Diagramme

K, BAufnahme von Messwerten mit verschiedenenVerfahren im Lehrer- und Schülerexperiment oderPraktikum

Gesetze der gleichförmigenund gleichmäßig beschleunigtenBewegung E, F

Der Mathematikunterricht stellt den Ableitungs-begriff als Änderungsrate zur Verfügung. DieVerfahren des graphischen Differenzierens undIntegrierens vertiefen die Zusammenhänge von s,v und a.

waagerechter Wurf, Bahnkurvenals x-y-Diagramme,schräger Wurfunabhängige Überlagerung

E, F

Parameter für Wurfweite (Weitsprung) und Höhe(Hochsprung) sind nur in einfachen Fällen analy-tisch zu berechnen. Computer-Algebra-Programmeoder Modellbildungssysteme erweitern dieMöglichkeiten.

Energie als Erhaltungsgröße, Energieformen,Leistung K, B

Die Auswertung von Autokenndaten, z.B. von v-P-oder v-F-Diagrammen, ermöglicht eine quantitativeBeschreibung des Energieumsatzes.

Impuls als Erhaltungsgröße,Masse, Stöße, Impulsänderungsrateals Kraft, Grundgleichungder Mechanik

E, F, B

Der Vergleich von t-v- und t-p-Diagrammen zeigtdie Abhängigkeit des Bremsweges mit konstanterBremskraft von der Masse. Bremswege werdenauch rechnerisch ermittelt. Die Begriffe Kraft undImpulsstrom lassen sich synonym verwenden.

5.2012 - Ra


10.2: Kreisbewegung, mechanische Schwingungen und Wellen

Sachgebiet: Kreisbewegungen, Schwingungen und mechanische Wellen

Themen/ Inhalte Kompe-tenzen Beispiele/ Methoden

gleichförmige Kreisbewegung,Kraft- und Impulskomponenten,

Zentripetalkraft, ScheinkräfteE, F, K, B

Herauszustellen ist, dass ein Körper auf derKreisbahn nur eine Kraft, die Zentripetalkraft,erfährt. Die Betrachtung der Impulskomponentenunterstützt den Zusammenhang.

Schwingungsgrößen: Elongation, Amplitude,Schwingungsdauer, Frequenz,Phasendifferenz,

F, K, B Die Beschreibung von Schwingungen und ihrerÜberlagerung erfolgt im Zeigermodell.

Harmonische Schwingung, Zeigerdarstellung,Gesetze der harmonischen Schwingung,Energie des harmonischen Oszillators

E, F

Der Versuch, möglichst laute/leise/hohe/tiefe/kurze/lange Töne zu erzeugen, führt rasch zu denBestimmungsgrößen der harmonischen Schwin-gung. Der Einsatz von Computerprogrammenempfiehlt sich sowohl zur numerischen Behandlungder DGL als auch zur symbolischen Lösung.

Töne und Klänge: Überlagerung vonSchwingungen, Phasendifferenz Schwebung,akustische Unschärfe, Dämpfung, Resonanz

E, K, B

Die rechnergestützte Auswertung von Schallsig-nalen erfolgt z.B. bei der Aufnahme von Spektren,der Unterscheidung von Grund- und Obertönen undder Synthese von Klängen (Synthesizer).Die Erzeugung von Geräuschen und Klängenberücksichtigt Kenntnisse aus dem Fach Musik.

Unterscheidung von Transversal- undLongitudinalwellenWellengrößen:Wellenlänge, Phase, PhasengeschwindigkeitGangdifferenz, c = l * fReflexion und Überlagerung:Reflexion linearer Wellen am festen undfreien Ende, stehende Wellen, Eigen-schwingungen

F, B

Die Berechnung der Gangdifferenz erfolgt ohneNäherung aus der Geometrie der Anordnung. Erstbei Interferenzen mit Licht lassen sich Näherungensinnvoll begründen.Anwendungen stehen im Vordergrund: z.B.Sonagraf in Natur, Medizin und Technik;Beziehungen zwischen der Konstruktion einesMusikinstruments, den physikalischen Phänomenenund den entstehenden Klangfarben.

Erklärung der Interferenz von Wellen,Bedingungen für maximale Verstärkung bzw.Abschwächung

E, FMechanische Schwingungen und Wellen werden nursoweit behandelt, als es die Deutung derInterferenz von Schall und Licht erfordert.

5.2012 - Ra


11.1: Elektromagnetische Wellen und Quantenphysik des Lichts

Sachgebiet Schwingungen und Wellen:● Interferenz von Licht● Optische Spektren● Musikinstrumente und ihre physikalischen Eigenschaften● Licht und Farben● Ultraschall in Natur, Medizin und Technik


● Interferenz von Wasserwellen,● Interferenz von Schallwellen,● Interferenz von Licht mit zwei reellen

oder virtuellen Lichtquellen

E, F, K, B

Die Beugung von Licht wird phänomenologischbehandelt. Die von den Öffnungen eines Doppel-spalts ausgehenden Teilwellen zeigen im Bereichder Überlagerung Interferenz.

Bewegung mechanischer und akustischerWellen:

● Wellengrößen und Wellengleichung,Phasengeschwindigkeit,

● Schallgeschwindigkeit,● Dopplereffekt

E, B

Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Wasserund Schallwellen, linearen, ebenen und räumlichenWellenphänomenen werden herausgearbeitet.Einen Schwerpunkt der weiteren experimentellenArbeit bildet die Untersuchung von Schallwellen.

Interferenz und Beugung von Lichtwellen:● Huygens'sches Prinzip,● Beugung am Spalt und Doppelspalt,● optisches Gitter,● Kohärenz● Farbe und Wellenlänge,● Wellenlängenbestimmung mit

Interferenz

E, F, K, B

Die Messung der Wellenlängen und der Kohärenz-längen ist Grundlage vieler analytischer Methodenund hat zentrale Bedeutung bei der Untersuchungvon Spektren.Zur Untersuchung der Intensitätsverteilung werdenZeigerdiagramme verwendet. In Schülerex-perimenten wird zur Wellenlängenbestimmung dasoptische Gitter verwendet.

5.2012 - Ra


11.1: Elektromagnetische Wellen und Quantenphysik des Lichts

Sachgebiet Quantenphysik des Lichts:● Energiereiche und energiearme Strahlung● Bräunung der Haut durch UV-Strahlung● Zählrohrimpulse bei Röntgenlicht● Gibt es Photonen? - Übergänge von diskreter zu kontinuierlicher Energieübertragung


● Foto-Effekt,● gequantelte Absorption von

Lichtenergie,● Abhängigkeit der Energie der

Elektronen von der Frequenz desLichts,

● Einstein'sche Deutung,● Planck'sches Wirkungsquantum

E, K, B Zur Auswertung des lichtelektrischen Effekts wirddie kinetische Energie von Elektronen gemessen.

Umkehrung des Foto-Effekts,gequantelte Emission von Licht, e * U = h * f F, B

Leuchtdioden mit unterschiedlicher Durchlasss-pannung zeigen die Umkehrung deslichtelektrischen Effekts.

Röntgenstrahlung:● Entstehung,● Bremsspektrum,● charakteristisches Spektrum,● kurzwellige Grenze der

kontinuierlichen● Röntgenstrahlung,● Bragg-Reflexion

E, F

Zur Wellenlängenmessung von Röntgenstrahlungwird die Bragg-Reflexion behandelt. Damit wirdgleichzeitig die Auswertung der Elektronenbeugungvorbereitet.

Elektronenbeugung:● DeBroglie-Wellenlänge,● Welle-Teilchen-Dualismus,● Compton-Effekt

E, K

Quantenphysikalische Teilchen besitzen Wellen-charakter. Betont wird der notwendige Wechselzwischen den Modellen zur Deutung derBeobachtungen.

Heisenberg´sche Unschärfe E, KDie Eigenschaften eines klassischen Teilchenswerden gegenüber denen eines Quantenobjektsabgegrenzt.

5.2012 - Ra


11.2: Ladungen in elektrischen und magnetischen Feldern

Sachgebiet Elektrische Ladung und Felder:● Geladene Teilchen im elektromagnetischen Feld● Atommassen und Massenspektrometer, Elementanalyse● Das Elektron als Elementarteilchen, Teilchenbeschleuniger● Übertragung von Energie und Information


elektrische Ladung und elektrisches Feld:● elektrische Ladung,● Homogenes Feld,● Radialsymmetrisches Feld,● elektrische Feldstärke,● elektrische Feldkonstante,● Coulomb'sches Gesetz,● Analogie zum Gravitationsgesetz,● Potential und Spannung,● Kapazität,● Dielektrikum,● Energiedichte des elektrischen● Feldes,● Elementarladung,● Millikan-Versuch,● Oszilloskop

E, F, K, B

Die Behandlung des Potentials im radialsymme-trischen Feld erfolgt in Hinblick auf die Atomphysik.

Falls in Jahrgangsstufe 11 das Gravitationsfeldnicht behandelt wurde, kann dies im Rahmen derergänzenden Inhalte erfolgen.

Reizleitung in Nerven, Xerografie undelektrostatische Staubabscheider zeigen dieBedeutung der physikalischen Inhalte auf.

Die Bestimmung der Elementarladung im Millikan-Versuch ist ein Beispiel für die indirekte Messungatomarer Größen.

Ladung und magnetisches Feld:● Kraft auf stromdurchflossene Leiter

im● Magnetfeld,● Magnetische Feldstärke B,● Lorentzkraft,● Hall-Effekt,● Elektronenmasse,● Erzeugung von Magnetfeldern,● magnetische Feldkonstante

E, B

Die Beschäftigung mit diesen Inhalten istbesonders geeignet, die Methoden der Forschung inder Teilchenphysik zu verdeutlichen. Die Grund-prinzipien der verwendeten Geräte stehen imZentrum des Unterrichts.Der Besuch von Forschungseinrichtungen sowie dieselbstständige Erarbeitung von Referaten sind zuempfehlen. Dazu eignen sich das Magnetfeld derErde mit dem Polarlicht ebenso wie z. B. dasElektronenmikroskop und die magnetischeDatenspeicherung.

Optional:elektromagnetische Induktion:Induktionsgesetz, Selbstinduktion,Induktivität, Energiedichte des magnetischenFeldes, Erzeugung von Wechselspannung

E, F, K, B

Magnetisch gespeicherte Information (Diskette,Festplatte).Die technische und die wirtschaftliche Bedeutungvon elektrischer Energie bzw. von Information undihrer Transportmöglichkeiten kann in Zusammen-arbeit mit dem Fach Wirtschaft/Politik aufgezeigtwerden.

5.2012 - Ra


12.1: Elemente der Atomphysik

Sachgebiet Quantenphysikalische Modelle:● Photonen: Teilchen oder Wellen?● Quantenphysikalische Unschärfe● Quantenphysikalisches Atommodell


Quantenphysikalisches Atommodell:● Franck-Hertz-Versuch,● Linienspektren in Emission und

Absorption,● Bohrsches Atommodell (im

Wasserstoff-atom),● Energieniveauschema,● linearer Potentialtopf,● Schrödimger-Gleichung,● Moseley'sches Gesetz,● Laser

E, F, K, B

Linienspektren und ihre Umkehr werden amBeispiel des Wasserstoffspektrums und derNatriumdampflampe behandelt.Der lineare Potentialtopf wird als vereinfachtesAtommodell vorgestellt. Aus der Kenntnis der De-Broglie-Wellen für Elektronen, der Deutung derPhi-Funktion als Wahrscheinlichkeitsamplitude undden Kenntnissen über stehende Wellen lässt sichdie Energiequantelung erklären.

Anwendungen des quantenphysikalischenAtommodells:

● Quantenzahlen,● Pauli-Prinzip,● Periodensystem,● chemische Bindungen,● Farbstoffmoleküle

E, F, K, B

Bei der Behandlung der Anwendungen geht es inerster Linie darum, das quantenmechanischeModell zu stützen und es gegenüber einemTeilchen-Modell abzugrenzen.

Optional: philosophische Aspekte derQuantenphysik E, F, K, B realistisches und holistisches (ganzheitliches)

Weltbild

Quantenphysik in Chemieund Biologie E, F, K, Bquantenphysikalische Aspekte beim Sehen undbeim Sehreiz, bei der Photosynthese, derchemischen Bindung, bei molekularen Maschinen

5.2012 - Ra


12.2: Elemente der Atomphysik

Sachgebiet Spezielle Relativitätstheorie (Wahlkurs)● Was bedeutet "gleichzeitig“?● Äquivalenz von Masse und Energie E = m * c2


● Messung der Lichtgeschwindigkeit,● Inertialsysteme,● Galilei'sches Relativitätsprinzip,● Experiment von Michelson und

Morley, Konstanz derLichtgeschwindigkeit,

● Einstein’sches Relativitätsprinzip

E, F, K, BVor der Entwicklung von Grundüberlegungen derSRT wird die Sicht- und Denkweise dervorrelativistischen Physik dargestellt.

● Relativität der Gleichzeitigkeit,● Minkowskidiagramme,● Zeitdilatation und

Längenkontraktion,● Additionstheorem der

Geschwindigkeiten

E, K, B

Bei der Erarbeitung der Themen werden dieanschaulichen Minkowski-Diagramme eingesetzt.Die Behandlung der Zeitdilatation beimMyonenzerfall sowie die Untersuchung desZwillingsparadoxons und des Problems vonVergangenheit und Zukunft dienen der Vertiefungund Festigung.

● dynamische Masse,● Äquivalenz von Masse und Energie;● Energie, Impuls und Masse von

Photonen

E, K, B

Die Herleitung der dynamischen Masse erfolgt mitder Betrachtung des Impulserhaltungssatzes beieinem unelastischen Stoß. Prozesse in Teilchen-beschleunigern sind besonders geeignet, dieÄquivalenz von Masse und Energie zu verdeut-lichen.Experimentell ist in der Schule die Bestätigung desTerms für die dynamische Masse bei derBestimmung der spezifischen Ladung der beta-Teilchen möglich.

5.2012 - Ra


12.2: Sachgebiet Physik der Sterne (Wahlkurs)● Entstehung des Sonnensystems● Sterne und Sternentwicklung● Weiße Zwerge und Schwarze Löcher


● Helligkeit,● Masse-Leuchtkraft-Beziehung,● Bestimmung von Sternmassen aus

Doppelsternen,● Hertzsprung-Russel-Diagramm,● Plasma,● Sternentstehung,● Energiebilanzen im Sterninneren,● Proton-Proton-Zyklus,● Fusion mittelschwererer Kerne

F, K

Die Behandlung der Zustandsparameter und ihrerZusammenhänge führt zur Klassifikation derSterne.Die Entwicklung typischer Sterne wird von ihrerEntstehung bis zu den Endstadien in Grundzügenbesprochen.

● Weiße Zwerge,● Planetarische Nebel,● Neutronensterne,● Supernovae,● Entstehung der schweren Elemente

in den Schockfronten der Explosion,● stellare Schwarze Löcher

F, K, B

Zur Beschreibung der Weißen Zwerge und derNeutronensterne eignet sich dasPotentialtopfmodell, welches die Reaktion p + e ! nerklärt.Kenntnisse aus der Relativitätstheorie werdenwiederholt oder bereitgestellt.

5.2012 - Ra


12.2: Sachgebiet Klimaphysik (Wahlkurs)● Die Kohlenstoffdioxid-Problematik● Genauigkeit von Klimaprognosen


Parameter des Erdklimas:● Kirchhoff'sches Gesetz,● Stefan-Boltzmann'sches Gesetz,● Wien'sches Verschiebungsgesetz,● Solarkonstante,● Absorptionsspektren von Gasen

E, F

Die Zusammenhänge lassen sich experimentellerarbeiten und dann auf das System Sonne-Erde-Weltall übertragen.Interessant ist der Vergleich mit anderenPlaneten des Sonnensystems.

Klimamodelle für die Erde:● mittlere Oberflächentemperatur● der Erde im Fließgleichgewicht,● Temperatur der Erde ohne und mit

Atmosphäre,● Temperatur der Erde bei geänderter

Kohlenstoffdioxidkonzentration

K, B

Die Temperatur wird in Abhängigkeit von derzugeführten und abgegebenen Wärmeenergie oderder Entropie betrachtet. Im Fall der Wärmeenergieist die Behandlung des Wirkungsgrads erforderlich.Für eine längerfristige Aussage zur Temperatureines Körpers ist die Wärmekapazität nichtentscheidend.Der stationäre Wert der Temperatur wirdberechnet, das Zeitverhalten nach einer Störungdes Gleichgewichts wird mit einem Modellbildungs-system berechnet und graphisch ausgewertet.

Klimaprognosen bei Änderung der Kohlen-stoffdioxidkonzentration in der Atmosphäre:

● Kohlenstoffdioxid als Energieträger,Aufnahme und Abgabe vonKohlenstoffdioxid

● bei chemischen Reaktionen,● Modellrechnungen zum Zeitverhalten

der mittleren Erdtemperatur,● gesellschaftliche Konsequenzen der

Verwendung von Kohlenstoffdioxidals Energieträger

K, B

Hier bieten sich fächerübergreifende Betrachtungenan. Die vorbereiteten Modellrechnungen werdenum die Parameter zur Erzeugung und Bindung vonKohlenstoffdioxid erweitert. Die Präsentation derErgebnisse im Rahmen der Schule bzw. im Internetkann als Ziel der Einheit und als Abschluss dienen.

5.2012 - Ra


12.2: Sachgebiet Atome, Atomkerne, Quarks (Wahlkurs)● Aufbau der Atomkerne● Systematik der Elementarteilchen● Quarks und Leptonen● Hochenergiephysik


Aufbau und Systematik der Atomkerne:● Proton und Neutron als Kernbau-

steine,● Isotopie,● Nuklidkarte

E, F, K, BDer Aufbau der Atomkerne wurde bereits in derMittelstufe behandelt und soll hier nur kurzwiederholt werden.

Kernreaktionen im Potentialtopf-Modell desAtomkerns:

● Energiezustände,● Energiebilanz bei Kernreaktionen,● Teilchenerzeugung und Teilchen-

vernichtung

E, F, K, B

Als Nachweisgeräte können Halbleiterdetektor undSzintillationszähler eingesetzt werden. Die Existenzdiskreter Energien und die Entstehung derStrahlung wird mit dem Potentialtopf-Modellerklärt.

Elementarteilchenphysik:● Quarks und Leptonen,● Teilchenreaktionen im Standard-

modell,● Kernkraft als Rest der starken

Wechselwirkung

E, F

Das Standardmodell mit Leptonen und Quarks undihren Wechselwirkungen wird vorgestellt. Es dientder Analyse von Teilchenreaktionen anhand vontypischen Beispielen.

Teilchenbeschleuniger:● Energie und Impulsbilanzen,● Masse von beschleunigten

Elementarteilchen

E, F

Ein Teilchenbeschleuniger erhöht Impuls undMasse, weniger die Geschwindigkeit. Die Kraft gibtdie Impulsänderung pro Zeit an.Die Tonerzeugung in Musikinstrumenten wird imWesentlichen durch stehende Wellen im Resonatorcharakterisiert.

Was ist ein Teilchen? K, BDie Messung der Lebensdauer von Teilchen-resonanzen verdeutlicht die begrenzten Aussagenüber deren Teilchencharakter

5.2012 - Ra


12.2: Sachgebiet Quantenphysik des Festkörpers (Wahlkurs)● Supraleitung● Halbleiter● Elektronen und Löcher in Festkörpern● Funktionsweise elektronischer Bauelemente


Quantenphysikalisches Modell derelektrischen Leitung:

● Metall als dreidimensionalerPotentialtopf,

● Elektronengas-Modell,● Fermi-Energie,● Bändermodell

E, F

Die Methoden zur Entwicklung eines quanten-physikalischen Atommodells werden auf diequantenphysikalische Beschreibung desFestkörpers angewendet.

Supraleitung:● Cooper-Paare,● Meißner-Ochsenfeld-Effekt,● Josephson-Effekt

E, FDie Eigenschaft der Cooper-Paare als Bosonen wirdhervorgehoben und zur Charakterisierung ihresVerhaltens herangezogen.

Halbleiterphysik:● Valenzband,● Leitungsband,● verbotenes Band,● Bandabstand

E, F

Es soll eine quantenphysikalische Erklärung für dasEntstehen von Energiebändern angestrebt werden.Die Energieeigenwerte im periodischen Potentialwerden iterativ berechnet.

dotierter Halbleiter:● n-Leitung,● p-Leitung,● p-n-Übergang im Bändermodell

K, B

Durch Serienschaltung von p- und n-dotiertemHalbleiter lassen sich unterschiedliche Vorzeichender Hallspannung demonstrieren. Es wird einequantenphysikalische Begründung der Löcher-leitung angestrebt.

Halbleiterbauelemente:● Diode,● Transistor,● Operationsverstärker

K, BZum Abschluss der Einheit kann eine selbstentwickelte elektronische Schaltung der Schul-öffentlichkeit präsentiert werden.

Klaus-Groth-Schule - Neumünster · Diagramme, Interpretation der Messwerte und Diagramme K, B...

Documents

Transcript of Klaus-Groth-Schule - Neumünster · Diagramme, Interpretation der Messwerte und Diagramme K, B...