Physik - comenius-gymnasium-datteln.deSek.+II.pdf · gymnasialen Oberstufe 30 3.1 Grundsätze der...

Schulinterner Lehrplanzum Kernlehrplan für die gymnasiale Oberstufeam Comenius Gymnasium Datteln

Stand: 04.05.2015

Physik

Inhalt

Seite

1 Unterrichtsvorhaben 3

2. Konkretisierte Unterrichtsvorhaben 5

2.1. Einführungsphase 5

2.2 Qualifikationsphase: Grundkurs 12

3 Grundsätze der fachmethodischen und fachdidaktischen Arbeit im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe 30

3.1 Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungsrückmeldung32

3.2 Lehr- und Lernmittel 36

4 Entscheidungen zu fach- und unterrichtsübergreifenden Fragen 37

5 Qualitätssicherung und Evaluation 38

2

1 Unterrichtsvorhaben

Die Darstellung der Unterrichtsvorhaben im schulinternen Lehrplan besitztden Anspruch, sämtliche im Kernlehrplan angeführten Kompetenzen .Dies entspricht der Verpflichtung jeder Lehrkraft, Lerngelegenheiten fürihre Lerngruppe so anzulegen, dass alle Kompetenzerwartungen desKernlehrplans von den Schülerinnen und Schülern erworben werden kön-nen.

Die entsprechende Umsetzung erfolgt auf zwei Ebenen: der Übersichts-und der Konkretisierungsebene.

Im Übersichtsraster „Konkrete Unterrichtsvorhaben“ (Kapitel 2) wird die füralle Lehrerinnen und Lehrer gemäß Fachkonferenzbeschluss verbindlicheVerteilung der Unterrichtsvorhaben dargestellt. Das Übersichtsraster dientdazu, den Kolleginnen und Kollegen einen schnellen Überblick über dieZuordnung der Unterrichtsvorhaben zu den einzelnen Jahrgangsstufen so-wie den im Kernlehrplan genannten Kompetenzen, Inhaltsfeldern und in-haltlichen Schwerpunkten sowie in der Fachkonferenz verabredeten ver-bindlichen Kontexten zu verschaffen. Um Klarheit für die Lehrkräfte herzu-stellen und die Übersichtlichkeit zu gewährleisten, werden in der Kategorie„Kompetenzen“ an dieser Stelle nur die übergeordneten Kompetenzerwar-tungen ausgewiesen, während die konkretisierten Kompetenzerwartungenerst auf der Ebene konkretisierter Unterrichtsvorhaben Berücksichtigungfinden. Der ausgewiesene Zeitbedarf versteht sich als grobe Orientie-rungsgröße, die nach Bedarf über- oder unterschritten werden kann. UmSpielraum für Vertiefungen, besondere Schülerinteressen, aktuelle The-men bzw. die Erfordernisse anderer besonderer Ereignisse (z.B. Praktika,Kursfahrten o.ä.) zu erhalten, wurden im Rahmen dieses schulinternenLehrplans ca. 75 Prozent der Bruttounterrichtszeit verplant.

Während der Fachkonferenzbeschluss zum „Übersichtsraster Unterrichts-vorhaben“ einschließlich der dort genannten Kontexte zur Gewährleistungvergleichbarer Standards sowie zur Absicherung von Lerngruppenübertrit-ten und Lehrkraftwechseln für alle Mitglieder der Fachkonferenz Bindekraftentfalten soll, besitzt die exemplarische Ausweisung „konkretisierter Unter-richtsvorhaben“ (Kapitel 2 Tabellenspalten 3 und 4) empfehlenden Cha-rakter, es sei denn, die Verbindlichkeit bestimmter Aspekte ist dort, mar-kiert durch Fettdruck, explizit angegeben. Insbesondere Referendarinnenund Referendaren sowie neuen Kolleginnen und Kollegen dienen die kon-kretisierten Unterrichtsvorhaben vor allem zur standardbezogenen Orien-tierung in der neuen Schule, aber auch zur Verdeutlichung von unterrichts-bezogenen fachgruppeninternen Absprachen zu didaktisch-methodischenZugängen, fächerübergreifenden Kooperationen, Lernmitteln und -orten

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sowie vorgesehenen Leistungsüberprüfungen, die im Einzelnen auch denKapiteln 2.1 und 2.2 zu entnehmen sind. Abweichungen von den empfoh-lenen Vorgehensweisen bezüglich der konkretisierten Unterrichtsvorhabensind im Rahmen der pädagogischen Freiheit der Lehrkräfte jederzeit mög-lich. Sicherzustellen bleibt allerdings auch hier, dass im Rahmen der Um-setzung der Unterrichtsvorhaben insgesamt alle Kompetenzerwartungendes Kernlehrplans Berücksichtigung finden.

Der Leistungskurs Physik findet in unserer Kooperationsschule, dem WillyBrandt Gymnasium in Oer-Erkenschwick, statt. Die curricularen Kriteriensetzt die dortige Fachschaft Physik (http://www.wbg-oe-projekt.de/physik/)in Rücksprache mit der Fachschaft Physik am Comenius-Gymnasium Dat-teln fest.

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http://www.wbg-oe-projekt.de/physik/

2. Konkretisierte Unterrichtsvorhaben

2.1. Einführungsphase

Inhaltsfeld: Mechanik

Kontext: Physik und Sport

Leitfrage: Wie lassen sich Bewegungen vermessen, analysieren und optimieren?

Inhaltliche Schwerpunkte: Kräfte und Bewegungen, Energie und Impuls

Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können …

(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklungdarstellen(K4) physikalische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumenten begründen bzw. kritisieren.(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse ver -allgemeinern,(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-mulationen erklären oder vorhersagen,(UF2)zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begrün-det auswählen,

Inhalt (Ustd. à 45 min)

Kompetenzen

Die Schülerinnen und Schüler…

Experiment / Medium Kommentar/didaktische Hinweise

Beschreibung von Bewegungen im All-tag und im Sport

Newton

(2 Ustd.)

stellen Änderungen in den Vorstellungen zu Bewegun-gen und zum Sonnensystem beim Übergang vom Mit-telalter zur Neuzeit dar (UF3, E7),

entnehmen Kernaussagen zu naturwissenschaftlichen Orten zu Beginn der Neuzeit aus einfachen historischenTexten (K2, K4).

Handexperimente zur qualitativen Beobachtung von Fallbewegungen(z. B. Stahlkugel, glattes bzw. zur Kugel zusammengedrücktes Pa-pier, evakuiertes Fallrohr mit Federund Metallstück)

Einstieg über faire Beurteilung sportlicher Leis-tungen (Weitsprung in West bzw. Ostrichtung, Speerwurf usw., Konsequenzen aus der Ansicht einer ruhenden oder einer bewegten Erde)

Analyse alltäglicher Bewegungsabläufe, Analysevon Kraftwirkungen auf reibungsfreie Körper

Vorstellungen zur Trägheit und zur Fallbewe-gung, Diskussion von Alltagsvorstellungen und physikalischen Konzepten

6


Kompetenzen



Beschreibung und Analyse von linea-ren Bewegungen

(16 Ustd.)

unterscheiden gleichförmige und gleichmäßig beschleu-nigte Bewegungen und erklären zugrundeliegende Ur-sachen (UF2),

vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichge-wichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1),

planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (u.a. zur Analyse von Bewegungen), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Ar-beitsprozesse (E2, E5, B1),

stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Dia-grammen (u. a. t-s- und t-v-Diagramme, Vektordiagram-me) von Hand und mit digitalen Werkzeugen angemes-sen präzise dar (K1, K3),

erschließen und überprüfen mit Messdaten und Dia-grammen funktionale Beziehungen zwischen mechani-schen Größen (E5),

bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (u.a. Tabel-lenkalkulation, GTR) (E6),

Digitale Videoanalyse (z.B. mit Handy-Kamera) von Bewegungen im Sport (Fahrradfahrt o. anderes Fahrzeug, Sprint, Flug von Bällen)

Luftkissenfahrbahn mit digitaler Messwerterfassung:

Messreihe zur gleichmäßig be-schleunigten Bewegung

Freier Fall und Bewegung auf ei-ner schiefen Ebene

Wurfbewegungen (optional)

Einführung in die Verwendung von digitaler Vi-deoanalyse (Auswertung von Videosequenzen, Darstellung der Messdaten in Tabellen und Dia-grammen mithilfe einer Software zur Tabellen-kalkulation)

Unterscheidung von gleichförmigen und (belie-big) beschleunigten Bewegungen (insb. auch diegleichmäßig beschleunigte Bewegung)

Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleich-förmigen Bewegung

Untersuchung gleichmäßig beschleunigter Be-wegungen im Labor

Erarbeitung der Bewegungsgesetze der gleich-mäßig beschleunigten Bewegung

Erstellung von t-s- und t-v-Diagrammen (auch mithilfe digitaler Hilfsmittel), die Interpretation und Auswertung derartiger Diagramme sollte in-tensiv geübt werden.

Planung von Experimenten durch die Schüler (Auswertung mithilfe der Videoanalyse)

Schlussfolgerungen bezüglich des Einflusses der Körpermasse bei Fallvorgängen, auch die Argumentation von Galilei ist besonders gut ge-eignet, um Argumentationsmuster in Physik ex-plizit zu besprechen

Wesentlich: Erarbeitung des Superpositionsprin-zips (Komponentenzerlegung und Addition vek-torieller Größen)

Herleitung der Gleichung für die Bahnkurve nur optional

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Kompetenzen



Newton’sche Geset-ze, Kräfte und Be-wegung

(12 Ustd.)

berechnen mithilfe des Newton’schen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewe-gungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6),

entscheiden begründet, welche Größen bei der Analysevon Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernach-lässigen sind (E1, E4),

reflektieren Regeln des Experimentierens in der Pla-nung und Auswertung von Versuchen (u. a. Zielorientie-rung, Sicherheit, Kontrolle von Störungen und Fehler-quellen) (E2, E4),

geben Kriterien (u.a. Objektivität, Reproduzierbarkeit, Widerspruchsfreiheit, Überprüfbarkeit) an, um die Zu-verlässigkeit von Messergebnissen und physikalischen Aussagen zu beurteilen, und nutzen diese bei der Be-wertung von eigenen und fremden Untersuchungen (B1),


Messung der Beschleunigung ei-nes Körpers in Abhängigkeit von der beschleunigenden Kraft

Protokolle: Funktionen und Anfor-derungen

Kennzeichen von Laborexperimenten im Ver-gleich zu natürlichen Vorgängen besprechen, Ausschalten bzw. Kontrolle bzw. Vernachlässi-gen von Störungen

Erarbeitung des Newton’schen Bewegungsge-setzes

Definition der Kraft als Erweiterung des Kraftbe-griffs aus der Sekundarstufe I.

Berechnung von Kräften und Beschleunigungen beim Einfluss von Reibungskräften

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Kompetenzen



Energie und Leis-tung

Impuls

(12 Ustd.)

erläutern die Größen Ort, Strecke, Geschwindigkeit, Be-schleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie, Impuls undihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Bei-spielen (UF2, UF4),

analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwir-kungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1),

verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbi-lanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Be-wegungsgrößen zu berechnen (E3, E6),

beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wech-selwirkungen und Impulsänderungen (UF1),

begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungenund Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnis-se oder andere objektive Daten heran (K4),

bewerten begründet die Darstellung bekannter me-chanischer und anderer physikalischer Phänomene in verschiedenen Medien (Printmedien, Filme, Internet) bezüglich ihrer Relevanz und Richtigkeit (K2, K4),

Einsatz des GTR zur Bestimmung des Integrals

Fadenpendel (Schaukel)

Bewegungsvideos


Messreihen zu elastischen und un-elastischen Stößen

Begriffe der Arbeit und der Energie aus der SI aufgreifen und wiederholen

Deduktive Herleitung der Formeln für die me-chanischen Energiearten aus den Newton‘schenGesetzen und der Definition der Arbeit

Energieerhaltung an Beispielen (wahlweise Pen-del, Achterbahn, Halfpipe) erarbeiten und für Be-rechnungen nutzen

Energetische Analysen in verschiedenen Sport-arten (z.B. Skisprung)

Begriff des Impulses und Impuls als Erhaltungs-größe

Elastischer und inelastischer gerader Stoß auch an anschaulichen Beispielen aus dem Sport (z.B. Impulserhaltung bei Ballsportarten)

Hinweis: Erweiterung des Impulsbegriffs am Ende des Kontextes „Auf dem Weg in den Welt-raum“

42 Ustd. Summe

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Kontext: Auf dem Weg in den WeltraumLeitfrage: Wie kommt man zu physikalischen Erkenntnissen über unser Sonnensystem?Inhaltliche Schwerpunkte: Gravitation, Kräfte und Bewegungen, Energie und ImpulsKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können (UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließenund aufzeigen.(E3) mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer Überprüfung ableiten,(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-mulationen erklären oder vorhersagen,(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklungdarstellen.


Kompetenzen



Kreisbewegungen

(8 Ustd.)

analysieren und berechnen auftretendeKräfte bei Kreisbewegungen (E6),

Messung der Zentralkraft

An dieser Stelle sollen das experimen-tell-erkundende Verfahren und das de-duktive Verfahren zur Erkenntnisgewin-nung am Beispiel der Herleitung der Gleichung für die Zentripetalkraft als zwei wesentliche Erkenntnismethoden der Physik bearbeitet werden.

Beschreibung von gleichförmigen Kreisbewegun-gen, Winkelgeschwindigkeit, Periode, Bahnge-schwindigkeit, Frequenz

Experimentell-erkundende Erarbeitung der Formeln für Zentripetalkraft und Zentripetalbeschleunigung:

Herausstellen der Notwendigkeit der Konstanthal-tung der restlichen Größen bei der experimentellen Bestimmung einer von mehreren anderen Größen abhängigen physikalischen Größe (hier bei der Be-stimmung der Zentripetalkraft in Abhängigkeit von der Masse des rotierenden Körpers)

Ergänzend: Deduktion der Formel für die Zentripe-talbeschleunigung

Massenbestimmungen im Planetensystem, Flucht-geschwindigkeiten

Bahnen von Satelliten und Planeten

Aristotelisches Weltbild, Ko-pernikanische Wende

(3 Ustd.)

stellen Änderungen in den Vorstellun-gen zu Bewegungen und zum Sonnen-system beim Übergang vom Mittelalter zur Neuzeit dar (UF3, E7),

Arbeit mit dem Lehrbuch:Geozentrisches und heliozentrisches Planetenmodell

Historie: Verschiedene Möglichkeiten der Interpreta-tion der Beobachtungen

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Kompetenzen



Planetenbewegungenund Kepler’sche Ge-setze

(5 Ustd.)

ermitteln mithilfe der Kepler´schen Gesetze und des Gravitationsgesetzes astronomische Größen (E6),

beschreiben an Beispielen Veränderungen im Weltbild und in der Arbeitsweise der Naturwissenschaften, die durch die Arbeiten von Kopernikus, Kepler, Galilei und Newton initiiert wurden (E7, B3).

Animationen zur Darstellung der Planetenbewegungen

Tycho Brahes Messungen, Keplers Schlussfol-gerungen

Benutzung geeigneter Apps

Newton’sches Gravi-tationsgesetz, Gravi-tationsfeld

(6 Ustd.)

beschreiben Wechselwirkungen im Gravitationsfeld undverdeutlichen den Unterschied zwischen Feldkonzept und Kraftkonzept (UF2, E6),

Arbeit mit dem Lehrbuch, Recher-che im Internet

Newton’sches Gravitationsgesetz als Zusam-menfassung bzw. Äquivalent der Kepler’schen Gesetze

Newton’sche „Mondrechnung“

Anwendung des Newton’schen Gravitationsge-setzes und der Kepler‘schen Gesetze zur Be-rechnung von Satellitenbahnen

Feldbegriff diskutieren, Definition der Feldstärkeüber Messvorschrift „Kraft auf Probekörper“

Impuls und Impulser-haltung, Rückstoß (optional)

(6 Ustd.)

verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbi-lanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6),

erläutern unterschiedliche Orten zum Sinn aktueller Forschungsprogramme (z.B. Raumfahrt, Mobilität) und beziehen Stellung dazu (B2, B3).

Wasserrakete

Raketentriebwerke für Modellrake-ten

Recherchen zu aktuellen Projek-ten von ESA und DLR, auch zur Finanzierung

Impuls und Rückstoß

Bewegung einer Rakete im luftleeren Raum

Untersuchungen mit einer Wasserrakete,

Debatte über wissenschaftlichen Wert sowie Kosten und Nutzen ausgewählter Programme

28 Ustd. Summe

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Kontext: Schall

Leitfrage: Wie lässt sich Schall physikalisch untersuchen?

Inhaltliche Schwerpunkte: Schwingungen und Wellen, Kräfte und Bewegungen, Energie und Impuls

Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und er-läutern,(K1) Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren, auch mit Unterstützung digita-ler Werkzeuge


Kompetenzen



Entstehung und Ausbreitung von Schall

(4 Ustd.)

erklären qualitativ die Ausbreitung mechanischer Wel-len (Transversal- oder Longitudinalwelle) mit den Eigen-schaften des Ausbreitungsmediums (E6),

Stimmgabeln, Lautsprecher, Fre-quenzgenerator, Frequenzmess-gerät, Schallpegelmesser, rußge-schwärzte Glasplatte, Schreib-stimmgabel, Klingel und Vakuum-glocke

Erarbeitung der Grundgrößen zur Beschreibung von Schwingungen und Wellen:

Frequenz (Periode) und Amplitude mittels der Höreindrücke des Menschen

Modelle der Wellen-ausbreitung

(4 Ustd.)

beschreiben Schwingungen und Wellen als Störungen eines Gleichgewichts und identifizieren die dabei auftre-tenden Kräfte (UF1, UF4),

Lange Schraubenfeder, Wellen-wanne

Entstehung von Longitudinal- und Transversal-wellen

Ausbreitungsmedium, Möglichkeit der Ausbrei-tung longitudinaler. bzw. transversaler Schall-wellen in Gasen, Flüssigkeiten und festen Kör-pern

Erzwungene Schwingungen und Resonanz

(2 Ustd.)

erläutern das Auftreten von Resonanz mithilfe von Wechselwirkung und Energie (UF1).

Stimmgabeln Resonanz (auch Tacoma-Bridge, Millennium-Bridge)

Resonanzkörper von Musikinstrumenten

10 Ustd. Summe

12

2.2 Qualifikationsphase: Grundkurs

Inhaltsfeld: Quantenobjekte (GK)

Kontext: Erforschung des PhotonsLeitfrage: Wie kann das Verhalten von Licht beschrieben und erklärt werden?Inhaltliche Schwerpunkte: Photon (Wellenaspekt)Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse ver-allgemeinern, (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren,


KompetenzenDie Schülerinnen und Schüler…


Beugung und Inter-ferenz Lichtwellen-länge, Lichtfre-quenz, Kreiswellen, ebene Wellen, Beugung, Brechung

(7 Ustd.)

veranschaulichen mithilfe der Wellenwanne qualitativunter Verwendung von Fachbegriffen auf der Grundlagedes Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellensowie die Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexionund Brechung (K3),

bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mitDoppelspalt und Gitter (E5),

Doppelspalt und Gitter, Wellen-wanne

quantitative Experimente mit La-serlicht

Ausgangspunkt: Beugung von Laserlicht

Modellbildung mit Hilfe der Wellenwanne (ggf. als Schülerpräsentation)

Bestimmung der Wellenlängen von Licht mit Doppelspalt und Gitter

Sehr schön sichtbare Beugungsphänomene fin-den sich vielfach bei Meereswellen (s. Goo-gle-Earth)

Quantelung der Energie von Licht, Austrittsarbeit

(7 Ustd.)

demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoef-fekt den Quantencharakter von Licht und bestimmenden Zusammenhang von Energie, Wellenlänge undFrequenz von Photonen sowie die Austrittsarbeit derElektronen (E5, E2),

Photoeffekt

Hallwachsversuch

Vakuumphotozelle

Roter Faden: Von Hallwachs bis Elektronenbeu-gung

Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquan-tums und der Austrittsarbeit

Hinweis: Formel für die max. kinetische Energie der Photoelektronen wird zunächst vorgegeben.

Der Zusammenhang zwischen Spannung, La-dung und Überführungsarbeit wird ebenfalls vor-gegeben und nur plausibel gemacht. Er muss andieser Stelle nicht grundlegend hergeleitet wer-den

14 Ustd. Summe

13

Kontext: Erforschung des ElektronsLeitfrage: Wie können physikalische Eigenschaften wie die Ladung und die Masse eines Elektrons gemessen werden?Inhaltliche Schwerpunkte: Elektron (Teilchenaspekt)Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,(UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren, (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse ver-allgemeinern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-mulationen erklären oder vorhersagen,



Experiment / Medium Kommentar

Elementarladung

(5 Ustd.)

erläutern anhand einer vereinfachten Version desMillikanversuchs die grundlegenden Ideen und Er-gebnisse zur Bestimmung der Elementarladung(UF1, E5),

untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Com-putersimulationen zum Verhalten von Quantenobjek-ten (E6).

schwebender Wattebausch

Millikanversuch

Schwebefeldmethode (keine Sto-kes´sche Reibung)

Auch als Simulation möglich

Begriff des elektrischen Feldes in Analogie zum Gra-vitationsfeld besprechen, Definition der Feldstärke über die Kraft auf einen Probekörper, in diesem Fall die Ladung

Homogenes elektrisches Feld im Plattenkondensator,Zusammenhangs zwischen Feldstärke im Plattenkon-densator, Spannung und Abstand der Kondensator-platten vorgeben und durch Auseinanderziehen der geladenen Platten demonstrieren

Elektronenmasse

(7 Ustd.)

beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homoge-ner elektrischer und magnetischer Felder und erläu-tern deren Definitionsgleichungen. (UF2, UF1),

bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines La-dungsträgers nach Durchlaufen einer elektrischenSpannung (UF2),

modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energieder Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch, variierenParameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerun-gen her, die sich experimentell überprüfen lassen,und ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5),

e/m-Bestimmung mit dem Fa-denstrahlrohr und Helmholtz-spulenpaar

auch Ablenkung des Strahls mit Permanentmagneten (Lorentz-kraft)

evtl. Stromwaage bei hinreichendzur Verfügung stehender Zeit)

Messung der Stärke von Magnet-feldern mit der Hallsonde

Einführung der 3-Finger-Regel und Angabe der Glei-chung für die Lorentzkraft:

Einführung des Begriffs des magnetischen Feldes (in Analogie zu den beiden anderen Feldern durch Kraft auf Probekörper, in diesem Fall bewegte Ladung oderstromdurchflossener Leiter) und des Zusammen-hangs zwischen magnetischer Kraft, Leiterlänge und Stromstärke.

Vertiefung des Zusammenhangs zwischen Span-nung, Ladung und Überführungsarbeit am Beispiel Elektronenkanone.

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Streuung von Elek-tronen an Festkör-pern, de Bro-glie-Wellenlänge

(3 Ustd.)

erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese,wenden diese zur Erklärung des Beugungsbildesbeim Elektronenbeugungsexperiment an und bestim-men die Wellenlänge der Elektronen (UF1, UF2, E4).

Experiment zur Elektronenbeu-gung an polykristallinem Graphit

Veranschaulichung der Bragg-Bedingung analog zur Gitterbeugung

15 Ustd. Summe

15

Kontext: Photonen und Elektronen als QuantenobjekteLeitfrage: Kann das Verhalten von Elektronen und Photo-nen durch ein gemeinsames Modell beschrieben werden?Inhaltliche Schwerpunkte: Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellenaspekt), Quantenobjekte und ihre EigenschaftenKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-mulationen erklären oder vorhersagen, (E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen. (K4) sich mit anderen über physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse kritisch-konstruktiv austauschen und dabei Behauptungen oder Beurteilungen durch Argumentebelegen bzw. widerlegen. (B4) begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichenFragestellungen bewerten.




Licht und Materie

(5 Ustd.)

erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektronund Photon die Bedeutung von Modellen als grundle-gende Erkenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7),

verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretationfür Quantenobjekte unter Verwendung geeigneterDarstellungen (Graphiken, Simulationsprogramme)(K3).

zeigen an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbe-reiche von Wellen- und Teilchenmodellen für Lichtund Elektronen auf (B4, K4),

beschreiben und diskutieren die Kontroverse um dieKopenhagener Deutung und den Welle-Teilchen-Dualismus (B4, K4).

Computersimulation

Doppelspalt

Photoeffekt

Reflexion der Bedeutung der Experimente für die Ent-wicklung der Quantenphysik

5 Ustd. Summe

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Inhaltsfeld: Elektrodynamik (GK)

Kontext: Energieversorgung und Transport mit Generatoren und TransformatorenLeitfrage: Wie kann elektrische Energie gewonnen, verteilt und bereitgestellt werden?Inhaltliche Schwerpunkte: Spannung und elektrische Energie, Induktion, SpannungswandlungKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und be-gründet auswählen, (UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen. (E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse ver-allgemeinern, (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-mulationen erklären oder vorhersagen, (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren, (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet ge -wichten,

Inhalt

(Ustd. à 45 min)



Wandlung von me-chanischer in elektri-sche Energie:

Elektromagnetische Induktion

Induktionsspannung

(5 Ustd.)

erläutern am Beispiel der Leiterschaukel das Auftre-ten einer Induktionsspannung durch die Wirkung derLorentzkraft auf bewegte Ladungsträger (UF1, E6),

definieren die Spannung als Verhältnis von Energieund Ladung und bestimmen damit Energien beielektrischen Leitungsvorgängen (UF2),

bestimmen die relative Orientierung von Bewe-gungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeld-richtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe ei-ner Drei-Finger-Regel (UF2, E6),

werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw.mit einem Messwerterfassungssystem gewonnenwurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen undSpannungen aus (E2, E5).

bewegter Leiter im (homoge-nen) Magnetfeld - „Leiterschaukelversuch“

Messung von Spannungen mit diversen Spannungsmessgerä-ten (nicht nur an der Leiter-schaukel)

Gedankenexperimente zur Überführungsarbeit, die an ei-ner Ladung verrichtet wird.

Deduktive Herleitung der Bezie-hung zwischen U, v und B.

Definition der Spannung und Erläuterung anhand von Beispielen für Energieumwandlungsprozesse bei La-dungstransporten, Anwendungsbeispiele.

Das Entstehen einer Induktionsspannung bei beweg-tem Leiter im Magnetfeld wird mit Hilfe der Lorentz-kraft erklärt, eine Beziehung zwischen Induktionss-pannung, Leitergeschwindigkeit und Stärke des Ma-gnetfeldes wird (deduktiv) hergeleitet.

Die an der Leiterschaukel registrierten (zeitabhängi-gen) Induktionsspannungen werden mit Hilfe der her-geleiteten Beziehung auf das Zeit-Geschwindigkeit-Gesetz des bewegten Leiters zurückgeführt.

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Inhalt

(Ustd. à 45 min)



Technisch praktika-ble Generatoren:

Erzeugung sinusförmi-ger Wechselspan-nungen

(4 Ustd.)

recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungenhistorische Vorstellungen und Experimente zu In-duktionserscheinungen (K2),

erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange-messen und verständlich (K3),

Internetquellen, Lehrbücher, Fir-meninformationen, Filme und Applets zum Generatorprinzip

Experimente mit drehenden Leiterschleifen in (näherungs-weise homogenen) Magnetfel-dern, Wechselstromgeneratoren

Hier bietet es sich an, arbeitsteilige Präsentationen auch unter Einbezug von Realexperimenten anferti-gen zu lassen.

erläutern das Entstehen sinusförmiger Wechsel-spannungen in Generatoren (E2, E6),


führen Induktionserscheinungen an einer Leiter-schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen„zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlichveränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),

Messung und Registrierung vonInduktionsspannungen mit Os-zilloskop und digitalem Mess-werterfassungssystem

Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und zeitlicher Veränderung der senkrecht vom Ma-gnetfeld durchsetzten Fläche wird „deduktiv“ erschlos-sen.

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Inhalt

(Ustd. à 45 min)



Nutzbarmachung elektrischer Energie durch „Transformati-on“

Transformator

(5 Ustd.)

erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Auf-bauten und Ergebnisse von Experimenten im Be-reich der Elektrodynamik jeweils sprachlich ange-messen und verständlich (K3),

ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Span-nung und Stromstärke beim Transformator (UF1,UF2).

geben Parameter von Transformatoren zur geziel-ten Veränderung einer elektrischen Wechselspan-nung an (E4),


führen Induktionserscheinungen an einer Leiter-schleife auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),

diverse „Netzteile“ von Elek-tro-Kleingeräten (mit klassi-schem Transformator)

Internetquellen, Lehrbücher, Fir-meninformationen

Demo-Aufbautransformator mit geeigneten Messgeräten

ruhende Induktionsspule in wechselstromdurchflossener Feldspule - mit Messwerterfas-sungssystem zur zeitaufgelös-ten Registrierung der Indukti-onsspannung und des zeitlichen Verlaufs der Stärke des magneti-schen Feldes

Der Transformator wird eingeführt und die Überset-zungsverhältnisse der Spannungen experimentell er-mittelt. Dies kann auch durch einen Schülervortrag er-folgen (experimentell und medial gestützt).

Der Zusammenhang zwischen induzierter Spannung und zeitlicher Veränderung der Stärke des magneti-schen Feldes wird experimentell im Lehrerversuch er-schlossen.

Die registrierten Messdiagramme werden von den SuS eigenständig ausgewertet.

Energieerhaltung

Ohm´sche „Verluste“

(4 Ustd.)

verwenden ein physikalisches Modellexperiment zuFreileitungen, um technologische Prinzipien der Be-reitstellung und Weiterleitung von elektrischer Ener-gie zu demonstrieren und zu erklären (K3),

bewerten die Notwendigkeit eines geeignetenTransformierens der Wechselspannung für die ef-fektive Übertragung elektrischer Energie über großeEntfernungen (B1),

zeigen den Einfluss und die Anwendung physikali-scher Grundlagen in Lebenswelt und Technik amBeispiel der Bereitstellung und Weiterleitung elektri-scher Energie auf (UF4),

beurteilen Vor- und Nachteile verschiedener Mög-lichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie übergroße Entfernungen (B2, B1, B4).

Modellexperiment (z.B. mit Hil-fe von Aufbautransformatoren) zur Energieübertragung und zur Bestimmung der „Ohm’schen Verluste“ bei der Übertragung elektrischer Energie bei unter-schiedlich hohen Spannungen

Hier bietet sich ein arbeitsteiliges Gruppenpuzzle an, in dem Modellexperimente einbezogen werden.

19

Inhalt

(Ustd. à 45 min)



18 Ustd. Summe

20

Kontext: Wirbelströme im AlltagLeitfrage: Wie kann man Wirbelströme technisch nutzen?Inhaltliche Schwerpunkte: InduktionKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen. (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse ver-allgemeinern, (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet ge -wichten,

Inhalt

(Ustd. à 45 min)



Lenz´sche Regel

(4 Ustd.)

erläutern anhand des Thomson´schen Ringver-suchs die Lenz´sche Regel (E5, UF4),

bewerten bei technischen Prozessen das Auftretenerwünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme(B1),

Freihandexperiment: Untersu-chung der Relativbewegung ei-nes aufgehängten Metallrings und eines starken Stabmagne-ten

Thomson’scher Ringversuch

diverse technische und spieleri-sche Anwendungen, z.B. Dämp-fungselement an einer Präzisi-onswaage, Wirbelstrombremse, „fallender Magnet“ im Alu-Rohr.

Ausgehend von kognitiven Konflikten bei den Ring-versuchen wird die Lenz´sche Regel erarbeitet

Erarbeitung von Anwendungsbeispielen zur Lenz’-schen Regel (z.B. Wirbelstrombremse bei Fahrzeu-gen oder an der Kreissäge)

4 Ustd. Summe

21

Inhaltsfeld: Strahlung und Materie (GK)

Kontext: Erforschung des Mikro- und MakrokosmosLeitfrage: Wie gewinnt man Informationen zum Aufbau der Materie?Inhaltliche Schwerpunkte: Energiequantelung der Atomhülle, Spektrum der elektromagnetischen StrahlungKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,(E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse ver-allgemeinern,(E2) kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,




Kern-Hülle-Modell

(2 Ustd.)

erläutern, vergleichen und beurteilen Modelle zurStruktur von Atomen und Materiebausteinen (E6,UF3, B4),

Literaturrecherche, Schulbuch Ausgewählte Beispiele für Atommodelle

Energieniveaus der Atomhülle

(2 Ustd.)

erklären die Energie absorbierter und emittierterPhotonen mit den unterschiedlichen Energieniveausin der Atomhülle (UF1, E6),

Erzeugung von Linienspektren mithilfe von Gasentladungslam-pen

Deutung der Linienspektren

Quantenhafte Emissi-on und Absorption von Photonen

(3 Ustd.)

erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung undLinienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis-se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte-ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung vonModellen der diskreten Energiezustände von Elek-tronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),

Franck-Hertz-Versuch Es kann das Bohr’sche Atommodell angesprochen werden (ohne Rechnungen)

Röntgenstrahlung

(3 Ustd.)

erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnis-se des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakte-ristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von Modellen der diskreten Energiezustände von Elek-tronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),

Aufnahme von Röntgenspek-tren (kann mit interaktiven Bild-schirmexperimenten (IBE) oder Lehrbuch geschehen, falls keine Schulröntgeneinrichtung vorhan-den ist)

Im Zuge der „Elemente der Quantenphysik“ kann die Röntgenstrahlung bereits als Umkehrung des Photo-effekts bearbeitet werden

Mögliche Ergänzungen: Bremsspektrum mit h-Be-stimmung / Bragg-Reflexion




Sternspektren und Fraunhoferlinien

(3 Ustd.)

interpretieren Spektraltafeln des Sonnenspektrumsim Hinblick auf die in der Sonnen- und Erdatmo-sphäre vorhandenen Stoffe (K3, K1),erklären Sternspektren und Fraunhoferlinien (UF1,E5, K2),stellen dar, wie mit spektroskopischen Methoden In-formationen über die Entstehung und den Aufbaudes Weltalls gewonnen werden können (E2, K1),

Flammenfärbung

Darstellung des Sonnenspek-trums mit seinen Fraunhoferli-nien

Spektralanalyse

u. a. Durchstrahlung einer Na-Flamme mit Na- und Hg-Licht (Schattenbildung)

13 Ustd. Summe

23

Kontext: Mensch und StrahlungLeitfrage: Wie wirkt Strahlung auf den Menschen?Inhaltliche Schwerpunkte: Kernumwandlungen, Ionisierende Strahlung, Spektrum der elektromagnetischen StrahlungKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,(B3) an Beispielen von Konfliktsituationen mit physikalisch-technischen Hintergründen kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und bewerten,(B4) begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichenFragestellungen bewerten.




Strahlungsarten

(2 Ustd.)

unterscheiden -, -, -Strahlung und Röntgenstrah-lung sowie Neutronen- und Schwerionenstrahlung (UF3),

erläutern den Nachweis unterschiedlicher Arten ioni-sierender Strahlung mithilfe von Absorptionsexperi-menten (E4, E5),

bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen undBeiträge von Physikerinnen und Physikern zu Er-kenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik(B1, B3),

Recherche

Absorptionsexperimente zu-, -, -Strahlung

Wiederholung und Vertiefung aus der Sek. I

Elementumwandlung

(1 Ustd.)

erläutern den Begriff Radioaktivität und beschreibenzugehörige Kernumwandlungsprozesse (UF1, K1), Nuklidkarte

Detektoren

(3 Ustd.)

erläutern den Aufbau und die Funktionsweise vonNachweisgeräten für ionisierende Strahlung (Geiger-Müller-Zählrohr) und bestimmen Halbwertszeiten undZählraten (UF1, E2),

Geiger-Müller-Zählrohr An dieser Stelle können Hinweise auf Halbleiter-detektoren gegeben werden.

24




Biologische Wirkung ionisierender Strah-lung und Energieauf-nahme im menschli-chen Gewebe

Dosimetrie

(3 Ustd.)

beschreiben Wirkungen von ionisierender und elek-tromagnetischer Strahlung auf Materie und lebende Organismen (UF1),

bereiten Informationen über wesentliche biologisch-medizinische Anwendungen und Wirkungen von ioni-sierender Strahlung für unterschiedliche Adressaten auf (K2, K3, B3, B4),

begründen in einfachen Modellen wesentliche biolo-gisch-medizinische Wirkungen von ionisierenderStrahlung mit deren typischen physikalischen Eigen-schaften (E6, UF4),

erläutern das Vorkommen künstlicher und natürlicherStrahlung, ordnen deren Wirkung auf den Menschenmithilfe einfacher dosimetrischer Begriffe ein und be-werten Schutzmaßnahmen im Hinblick auf die Strah-lenbelastungen des Menschen im Alltag (B1, K2).

bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung physikalischer Prozesse, u. a. von ionisierender Strahlung, auf der Basis medizinischer, gesellschaft-licher und wirtschaftlicher Gegebenheiten (B3, B4)

bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung ioni-sierender Strahlung unter Abwägung unterschiedli-cher Kriterien (B3, B4),

ggf. Einsatz eines Films / eines Vi-deos

Sinnvolle Beispiele sind die Nutzung von ionisie-render Strahlung zur Diagnose und zur Therapiebei Krankheiten des Menschen (von Lebewe-sen) sowie zur Kontrolle technische Anlagen.

Erläuterung von einfachen dosimetrischen Be-griffe: Aktivität, Energiedosis, Äquivalentdosis

9 Ustd. Summe

25

Kontext: Forschung am CERN und DESYLeitfrage: Was sind die kleinsten Bausteine der Materie?Inhaltliche Schwerpunkte: Standardmodell der ElementarteilchenKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren,(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-mulationen erklären oder vorhersagen,




Kernbausteine und Elementarteilchen

(4 Ustd.)

erläutern mithilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phä-nomene der Kernphysik (UF3, E6),

erklären an einfachen Beispielen Teilchenumwandlun-gen im Standardmodell (UF1).

recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsartikelnbzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungenzu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Ele-mentarteilchenphysik (K2).

In diesem Bereich sind i. d. R. kei-ne Realexperimente für Schulen möglich.

Es z.B. kann auf Internetseiten desCERN und DESY zurückgegriffen werden. Mögliche Schwerpunktsetzung:

Paarerzeugung, Paarvernichtung,

(Virtuelles) Photon als Austauschteil-chen der elektroma-gnetischen Wechsel-wirkung

Konzept der Aus-tauschteilchen vs. Feldkonzept

(2 Ustd.)

vergleichen in Grundprinzipien das Modell des Pho-tons als Austauschteilchen für die elektromagnetischeWechselwirkung exemplarisch für fundamentale Wech-selwirkungen mit dem Modell des Feldes (E6).

Lehrbuch, Animationen Veranschaulichung der Austauschwechselwir-kung mithilfe geeigneter mechanischer Modelle, auch Problematik dieser Modelle thematisieren

6 Ustd. Summe

26

Inhaltsfeld: Relativität von Raum und Zeit (GK)

Kontext: NavigationssystemeLeitfrage: Welchen Einfluss hat Bewegung auf den Ablauf der Zeit?Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, ZeitdilatationKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien / Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben underläutern,(E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Si-mulationen erklären oder vorhersagen,




Relativität der Zeit

(5 Ustd.)

interpretieren das Michelson-Morley-Experiment alsein Indiz für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit(UF4),

erklären anschaulich mit der Lichtuhr grundlegendePrinzipien der speziellen Relativitätstheorie und ermit-teln quantitativ die Formel für die Zeitdilatation (E6,E7),

erläutern qualitativ den Myonenzerfalls in der Erdat-mosphäre als experimentellen Beleg für die von derRelativitätstheorie vorhergesagte Zeitdilatation (E5,UF1).

erläutern die relativistische Längenkontraktion übereine Plausibilitätsbetrachtung (K3),

begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergren-ze für Geschwindigkeiten von Objekten, dass eine ad-ditive Überlagerung von Geschwindigkeiten nur für„kleine“ Geschwindigkeiten gilt (UF2),

erläutern die Bedeutung der Konstanz der Lichtge-schwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklungder speziellen Relativitätstheorie (UF1),

Experiment von Michelson und Morley (Computersimulation)

Lichtuhr (Gedankenexperiment / Computersimulation)

Myonenzerfall (Experimentepool der Universität Wuppertal)

Ausgangsproblem: Exaktheit der Positionsbe-stimmung mit Navigationssystemen

Begründung der Hypothese von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit mit dem Ausgang des Michelson-Morley-Experiments

Herleitung der Formel für die Zeitdilatation am Beispiel einer „bewegten Lichtuhr“.

Der Myonenzerfall in der Erdatmosphäre dient als experimentelle Bestätigung der Zeitdilatation.Betrachtet man das Bezugssystem der Myonen als ruhend, kann die Längenkontraktion der At-mosphäre plausibel gemacht werden.

Die Formel für die Längenkontraktion wird ange-geben.

5 Ustd. Summe

27

Kontext: TeilchenbeschleunigerLeitfrage: Ist die Masse bewegter Teilchen konstant?Inhaltliche Schwerpunkte: Veränderlichkeit der Masse, Energie-Masse ÄquivalenzKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen.(B1) fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet ge -wichten,




„Schnelle“ Ladungs-träger in E- und B-Feldern

(2 Ustd.)

erläutern die Funktionsweise eines Zyklotrons und ar-gumentieren zu den Grenzen einer Verwendung zurBeschleunigung von Ladungsträgern bei Berücksichti-gung relativistischer Effekte (K4, UF4),

Zyklotron (in einer Simulation mit und ohne Massenveränderlichkeit)

Der Einfluss der Massenzunahme wird in der Si-mulation durch das „Aus-dem-Takt-Geraten“ ei-nes beschleunigten Teilchens im Zyklotron ohneRechnung veranschaulicht.

Ruhemasse und dy-namische Masse

(4 Ustd.)

erläutern die Energie-Masse Äquivalenz (UF1).

zeigen die Bedeutung der Beziehung E=mc2 für die Kernspaltung und -fusion auf (B1, B3)

Film / Video Die Formeln für die dynamische Masse und E=mc2 werden als deduktiv herleitbar angege-ben.

Erzeugung und Vernichtung von Teilchen,

Hier können Texte und Filme zu Hiroshima und Nagasaki eingesetzt werden.

6 Ustd. Summe

28

Kontext: Das heutige WeltbildLeitfrage: Welchen Beitrag liefert die Relativitätstheorie zur Erklärung unserer Welt?Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation, Veränderlichkeit der Masse, Energie-Masse ÄquivalenzKompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können(E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen.(K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren,




Gegenseitige Bedin-gung von Raum und Zeit

(2 Ustd.)

diskutieren die Bedeutung von Schlüsselexperimentenbei physikalischen Paradigmenwechseln an Beispielenaus der Relativitätstheorie (B4, E7),

beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüs-se auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfa-cher Abbildungen (K3)

Lehrbuch, Film / Video

2 Ustd. Summe

Hinweis: In diesem Bereich sind i. d. R. keine bzw. nur in Ausnahmefällen Realexperimente für Schulen möglich. Es sollte daherinsbesondere die Möglichkeit genutzt werden, auf geeignete Internetmaterialien zurück zu greifen. Nachfolgend sind einige geeignet erschei-nende Internetquellen aufgelistet. Internet-Materialien (Letzter Aufruf Jan 2012):

CERN-Film zum Standardmodell (sehr übersichtlich): http://project-physicsteaching.web.cern.ch/project-physicsteaching/german/kurzvideos/film6.wmv Weiter Filme zum Standardmodell im netz verfügbar (z.B. bei YouTube)

Einführung in Teilchenphysik (DESY): http://teilchenphysik.desy.de/ http://kworkquark.desy.de/1/index.html

Übungen und Erklärungen zu Ereignisidentifikation (umfangreiche CERN-Internetseite zum Analysieren von (Original-) Eventdisplays) am Com-puter:

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http://kworkquark.desy.de/1/index.html

http://teilchenphysik.desy.de/

http://project-physicsteaching.web.cern.ch/project-physicsteaching/german/kurzvideos/film6.wmv

http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath.htm

Ausgezeichnete Unterrichtsmaterialien des CERN zur Teilchenphysik: http://project-physicsteaching.web.cern.ch/project-physicsteaching/german/

Übungen zur Teilchenphysik in der Realität: http://physicsmasterclasses.org/neu/ http://www.teilchenwelt.de/

Naturphänomene und Anregungen für den Physikunterricht: http://www.solstice.de

… und vieles mehr: http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-zur-teilchenphysik/

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http://www.teilchenwelt.de/material/materialien-zur-teilchenphysik/

http://www.solstice.de/

http://www.teilchenwelt.de/

http://physicsmasterclasses.org/neu/

http://project-physicsteaching.web.cern.ch/project-physicsteaching/german/

http://kjende.web.cern.ch/kjende/de/wpath.htm

3 Grundsätze der fachmethodischen und fachdi-daktischen Arbeit im Physikunterricht der gymna-sialen Oberstufe

In Absprache mit der Lehrerkonferenz sowie unter Berücksichtigung des Schul-programms hat die Fachkonferenz Physik die folgenden fachmethodischen undfachdidaktischen Grundsätze beschlossen. Die Grundsätze 1 bis 14 beziehensich auf fachübergreifende Aspekte, die Grundsätze 15 bis 26 sind fachspezifischangelegt.

Überfachliche Grundsätze:

1.) Geeignete Problemstellungen zeichnen die Ziele des Unterrichts vorund bestimmen die Struktur der Lernprozesse.

2.) Inhalt und Anforderungsniveau des Unterrichts entsprechen dem Leis-tungsvermögen der Schülerinnen und Schüler.

3.) Die Unterrichtsgestaltung ist auf die Ziele und Inhalte abgestimmt.4.) Medien und Arbeitsmittel sind lernernah gewählt.5.) Die Schülerinnen und Schüler erreichen einen Lernzuwachs.6.) Der Unterricht fördert und fordert eine aktive Teilnahme der Lernen-

den.7.) Der Unterricht fördert die Zusammenarbeit zwischen den Lernenden

und bietet ihnen Möglichkeiten zu eigenen Lösungen.8.) Der Unterricht berücksichtigt die individuellen Lernwege der einzelnen

Schülerinnen und Schüler.9.) Die Lernenden erhalten Gelegenheit zu selbstständiger Arbeit und

werden dabei unterstützt.10.)Der Unterricht fördert strukturierte und funktionale Einzel-, Partner-

bzw. Gruppenarbeit sowie Arbeit in kooperativen Lernformen.11.)Der Unterricht fördert strukturierte und funktionale Arbeit im Plenum.12.)Die Lernumgebung ist vorbereitet; der Ordnungsrahmen wird eingehal-

ten.13.)Die Lehr- und Lernzeit wird intensiv für Unterrichtszwecke genutzt.14.)Es herrscht ein positives pädagogisches Klima im Unterricht.

Fachliche Grundsätze:

15.)Der Physikunterricht ist problemorientiert und Kontexten ausgerichtet.16.)Der Physikunterricht ist kognitiv aktivierend und verständnisfördernd.17.)Der Physikunterricht unterstützt durch seine experimentelle Ausrich-

tung Lernprozesse bei Schülerinnen und Schülern.18.)Der Physikunterricht knüpft an die Vorerfahrungen und das Vorwissen

der Lernenden an.

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19.)Der Physikunterricht stärkt über entsprechende Arbeitsformen kommu-nikative Kompetenzen.

20.)Der Physikunterricht bietet nach experimentellen oder deduktiven Er-arbeitungsphasen immer auch Phasen der Reflexion, in denen derProzess der Erkenntnisgewinnung bewusst gemacht wird.

21.)Der Physikunterricht fördert das Einbringen individueller Lösungsideenund den Umgang mit unterschiedlichen Ansätzen. Dazu gehört aucheine positive Fehlerkultur.

22.) Im Physikunterricht wird auf eine angemessene Fachsprache und dieKenntnis grundlegender Formeln geachtet. Schülerinnen und Schülerwerden zu regelmäßiger, sorgfältiger und selbstständiger Dokumen-tation der erarbeiteten Unterrichtsinhalte angehalten.

23.)Der Physikunterricht ist in seinen Anforderungen und im Hinblick aufdie zu erreichenden Kompetenzen und deren Teilziele für die Schüle-rinnen und Schüler transparent.

24.)Der Physikunterricht bietet immer wieder auch Phasen der Übung unddes Transfers auf neue Aufgaben und Problemstellungen.

25.)Der Physikunterricht bietet die Gelegenheit zum regelmäßigen wieder-holenden Üben sowie zu selbstständigem Aufarbeiten von Unter-richtsinhalten.

26.) Im Physikunterricht wird ein GTR oder ein CAS verwendet. Die Mess-wertauswertung kann auf diese Weise oder per PC erfolgen.

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3.1 Grundsätze der Leistungsbewertung und Leistungs-rückmeldung

Auf der Grundlage von § 48 SchulG, § 13 APO-GOSt sowie Kapitel 3 desKernlehrplans Physik hat die Fachkonferenz im Einklang mit dem entspre-chenden schulbezogenen Konzept die nachfolgenden Grundsätze zurLeistungsbewertung und Leistungsrückmeldung beschlossen. Die nachfol-genden Absprachen stellen die Minimalanforderungen an das lerngrup-penübergreifende gemeinsame Handeln der Fachgruppenmitglieder dar.Bezogen auf die einzelne Lerngruppe kommen ergänzend weitere der inden Folgeabschnitten genannten Instrumente der Leistungsüberprüfungzum Einsatz.

ÜberprüfungsformenIn Kapitel 3 des KLP Physik Lehrplan werden Überprüfungsformen ange-geben, die Möglichkeiten bieten, Leistungen im Bereich der „sonstigenMitarbeit“ oder den Klausuren zu überprüfen. Um abzusichern, dass amEnde der Qualifikationsphase von den Schülerinnen und Schülern alle ge-forderten Kompetenzen erreicht werden, sind alle Überprüfungsformennotwendig. Besonderes Gewicht wird im Grundkurs auf experimentelleAufgaben und Aufgaben zur Datenanalyse gelegt.

Lern- und Leistungssituationen

In Lernsituationen ist das Ziel der Kompetenzerwerb. Fehler und Umwe-ge dienen den Schülerinnen und Schülern als Erkenntnismittel, den Lehr-kräften geben sie Hinweise für die weitere Unterrichtsplanung. Das Erken-nen von Fehlern und der konstruktiv-produktive Umgang mit ihnen sind einwesentlicher Teil des Lernprozesses.

Bei Leistungs- und Überprüfungssituationen steht dagegen der Nach-weis der Verfügbarkeit der erwarteten bzw. erworbenen Kompetenzen imVordergrund.

Beurteilungsbereich Sonstige Mitarbeit

Folgende Aspekte können bei der Leistungsbewertung der sonstigen Mit-arbeit eine Rolle spielen (die Liste ist nicht abschließend):

Sicherheit, Eigenständigkeit und Kreativität beim Anwenden fachs-pezifischer Methoden und Arbeitsweisen

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Verständlichkeit und Präzision beim zusammenfassenden Darstel-len und Erläutern von Lösungen einer Einzel-, Partner-, Gruppenar-beit oder einer anderen Sozialform sowie konstruktive Mitarbeit beidieser Arbeit

Klarheit und Richtigkeit beim Veranschaulichen, Zusammenfassenund Beschreiben physikalischer Sachverhalte

sichere Verfügbarkeit physikalischen Grundwissens (z. B. physikali-sche Größen, deren Einheiten, Formeln, fachmethodische Verfah-ren)

situationsgerechtes Anwenden geübter Fertigkeiten

angemessenes Verwenden der physikalischen Fachsprache

konstruktives Umgehen mit Fehlern

fachlich sinnvoller, sicherheitsbewusster und zielgerichteter Um-gang mit Experimentalmedien

fachlich sinnvoller und zielgerichteter Umgang mit Modellen, Hilfs-mitteln und Simulationen

zielgerichtetes Beschaffen von Informationen

Erstellen von nutzbaren Unterrichtsdokumentationen, ggf. Portfolio

Klarheit, Strukturiertheit, Fokussierung, Zielbezogenheit und Adres-satengerechtigkeit von Präsentationen, auch mediengestützt

sachgerechte Kommunikationsfähigkeit in Unterrichtsgesprächenund Kleingruppenarbeiten

Einbringen kreativer Ideen

fachliche Richtigkeit bei kurzen, auf die Inhalte weniger vorange-gangener Stunden beschränkten schriftlichen Überprüfungen

Beurteilungsbereich Klausuren

Verbindliche Absprache:

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Die Aufgaben für Klausuren in parallelen Kursen werden im Vorfeld abge-sprochen und nach Möglichkeit gemeinsam gestellt.

Für Aufgabenstellungen mit experimentellem Anteil gelten die Regelun-gen, die in Kapitel 3 des KLP formuliert sind.

Dauer und Anzahl richten sich nach den Angaben der APO-GOSt.

Einführungsphase:

1 Klausur im ersten Halbjahr (90 Minuten), im zweiten Halbjahr wird die 2.Klausur (90 Minuten) geschrieben.

Qualifikationsphase 1:

2 Klausuren pro Halbjahr (je 135 Minuten im GK mit Ausnahme der erstenKlausur in Q1, die 90 Minuten dauert), wobei in einem Fach die letzteKlausur im 2. Halbjahr durch 1 Facharbeit ersetzt werden kann bzw. muss.

Qualifikationsphase 2.1:

2 Klausuren (je 135 Minuten im GK)

Qualifikationsphase 2.2:

1 Klausur, die – was den formalen Rahmen angeht – unter Abiturbedin-gungen geschrieben wird.

In der Qualifikationsphase werden die Notenpunkte durch äquidistante Un-terteilung der Notenbereiche (mit Ausnahme des Bereichs ungenügend)erreicht.

Die Leistungsbewertung in den Klausuren wird mit Blick auf die schriftli-che Abiturprüfung mit Hilfe eines Kriterienrasters zu den Teilleistungendurchgeführt. Dieses Kriterienraster wird den Schülerinnen und Schülerbei der Berichtigung der Klausur transparent gemacht.

Die Zuordnung der Hilfspunkte zu den Notenstufen orientiert sich in derQualifikationsphase am Zuordnungsschema des Zentralabiturs. Die Noteausreichend soll bei Erreichen von ca. 50 % der Hilfspunkte erteilt werden.Von dem Zuordnungsschema kann abgewichen werden, wenn sich z.B.besonders originelle Teillösungen nicht durch Hilfspunkte gemäß den Kri-terien des Erwartungshorizonts abbilden lassen oder eine Abwertung we-gen besonders schwacher Darstellung angemessen erscheint.

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Grundsätze der Leistungsrückmeldung und Beratung

Für Präsentationen, Arbeitsprotokolle, Dokumentationen und andere Lern-produkte der sonstigen Mitarbeit erfolgt eine Leistungsrückmeldung, beider inhalts- und darstellungsbezogene Kriterien angesprochen werden.Hier werden zentrale Stärken als auch Optimierungsperspektiven für jedeSchülerin bzw. jeden Schüler hervorgehoben.

Die Leistungsrückmeldungen bezogen auf die mündliche Mitarbeit erfol-gen auf Nachfrage der Schülerinnen und Schüler außerhalb der Unter-richtszeit, spätestens aber in Form von mündlichem Quartalsfeedbackoder Eltern-/Schülersprechtagen. Auch hier erfolgt eine individuelle Bera-tung im Hinblick auf Stärken und Verbesserungsperspektiven.

Mündliche Abiturprüfungen

Auch für das mündliche Abitur (im 4. Fach oder bei Abweichungs- bzw.Bestehensprüfungen im 1. bis 3. Fach) wird ein Kriterienraster für den ers-ten und zweiten Prüfungsteil vorgelegt, aus dem auch deutlich wird, wanneine gute oder ausreichende Leistung erreicht wird.

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3.2 Lehr- und Lernmittel

Für den Physikunterricht in der Sekundarstufe II sind an der Schule derzeitdie Lehrwerke Dorn-Bader Physik Sek II (Schroeder-Verlag). Es findet„Physikalische Formeln und Daten“ (Klett Verlag) Verwendung.

Die Schülerinnen und Schüler arbeiten die im Unterricht behandelten In-halte in häuslicher Arbeit nach.

Unterstützende Materialien sind auch im Lehrplannavigator des NRW-Bil-dungsportals angegeben. Verweise darauf finden sich über Links in denHTML-Fassungen des Kernlehrplans und des Musters für einen Schulin-ternen Lehrplan. Den Lehrplannavigator findet man für das Fach Physikunter:

http://www.standardsicherung.schulministerium.nrw.de/lehrplaene/lehr-plannavigator-s-ii/gymnasiale-oberstufe/physik/

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4 Entscheidungen zu fach- und unterrichtsübergreifen-den Fragen

Die Fachkonferenz Physik hat sich im Rahmen des Schulprogramms fürfolgende zentrale Schwerpunkte entschieden:

Zusammenarbeit mit anderen Fächern

Durch die unterschiedliche Belegung von Fächern können Schülerinnenund Schüler Aspekte aus anderen Kursen mit in den Physikunterricht ein-fließen lassen. Es wird Wert darauf gelegt, dass in bestimmten Fragestel-lungen die Expertise einzelner Schülerinnen und Schüler gesucht wird, dieaus einem von ihnen belegten Fach genauere Kenntnisse mitbringen undden Unterricht dadurch bereichern.

Vorbereitung auf die Erstellung der Facharbeit

Es finden gegebenenfalls fachspezifische und fächerübergreifende Work-shops zur Vorbereitung auf die Facharbeit statt.

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5 Qualitätssicherung und Evaluation

Evaluation des schulinternen Curriculums

Das schulinterne Curriculum stellt keine starre Größe dar, sondern ist als„lebendes Dokument“ zu betrachten. Dementsprechend werden die Inhal-te stetig überprüft, um ggf. Modifikationen vornehmen zu können. DieFachkonferenz trägt durch diesen Prozess zur Qualitätsentwicklung unddamit zur Qualitätssicherung des Faches Physik bei.

Die Evaluation erfolgt jährlich. Zu Schuljahresbeginn werden die Erfahrun-gen des vergangenen Schuljahres in der Fachschaft gesammelt, bewertetund eventuell notwendige Konsequenzen und Handlungsschwerpunkteformuliert.

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Physik - comenius-gymnasium-datteln.deSek.+II.pdf · gymnasialen Oberstufe 30 3.1 Grundsätze der...

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