Schulinternes Curriculum des Faches Physik für die Sekundarstufe II

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Schulinternes Curriculum des Faches Physik
für die Sekundarstufe II
Inhalt
Jahrgangsstufe EF ............................................................................................................................................................................................................................... 2
Qualifizierungs-Phase (Q1, Q2) [11 –12] Übersicht ............................................................................................................................................................................ 9
Verbindliche Reihenfolge ............................................................................................................................................................................................................. 18
Fachliche Hinweise ....................................................................................................................................................................................................................... 23
Experimente zur Vorbereitung auf das Zentralabitur .................................................................................................................................................................. 24
Fachmethoden.............................................................................................................................................................................................................................. 24
Curriculum Physik SII
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Jahrgangsstufe EF
Hinweis: Die Reihenfolge der Themen in dieser Tabelle ist verbindlich für die Unterrichtsreihenfolge!
Richtlinien
Experimente
fett: obligatorisch,
normal: empfohlen
- KINEMATIK UND DYNAMIK DES MASSENPUNKTES
Einstieg: Messung der Geschwindigkeit von Gasblasen in einem mit
Wasser gefüllten, geneigten Glasrohr
Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten
Bewegung
Luftkissenfahrbahn: Schiefe Ebene
träge Masse, Trägheitssatz
Kraft, Grundgleichung der Mechanik
Kräfteparallelogramm mit Federwaagen an der Magnettafel
Luftkissenfahrbahn horizontal: Beschleunigung durch ein Gewicht,
dessen Gewichtskraft von einer Rolle umgelenkt wird.
Elastischer und unelastischer Stoss auf der Stahlschienen- oder
Luftkissenbahn.
Impuls, Impulserhaltung
Start der Luftkissenbahn durch den Stoß mit einem Pendel
Freier Fall: Kugelfallversuch
Kraftstoß und Impulsänderung
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Richtlinien
Experimente
fett: obligatorisch,
normal: empfohlen
Modell des Massenpunktes
Bezugssystem, Inertialsystem, Galilei-Transformation
Wurfbewegungen
Kreisbewegung, Zentripetalkraft
Trägheitskräfte in beschleunigten Bezugssystemen
(Zentrifugalkraft, Corioliskraft)
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Experimente
Richtlinien
ENERGIE UND ARBEIT
Fadenpendel: Umwandlung der potentiellen Energie in kinetische
Energie durch Messung der Geschwindigkeit im Nulldurchgang
Lageenergie und Hubarbeit
Bewegungsenergie und Beschleunigungsarbeit
Spannenergie und Spannarbeit
[Energieentwertung und Reibungsarbeit
Eckige Klammer bedeutet: Am Ende, falls Zeit bleibt.
]
Energiebilanzierung bei Übertragung und Umwandlung Erhaltung und Entwertung der Energie
Stoßvorgänge
(s. o. Impulserhaltung)
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Experimente
Richtlinien
ROTATION DES STARREN KÖRPERS
Modell des starren Körpers
Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten
Drehbewegung
Trägheitsmoment, Drehmoment, Rotationsenergie
Keine Experimente sondern Herleitung der entsprechenden
Größen der Rotation: Winkelgeschwindigkeit, Drehimpuls,
Drehmoment, Trägheitsmoment, Rotationsenergie in Analogie zur
linearen Bewegung.
Der Drehimpuls wird z.B. beim Bohrschen Atommodell oder bei den
Planentenbewegungen wieder benötigt.
Drehimpuls, Drehimpulserhaltung
Kreisel (Präzession)
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Richtlinien
Experimente
MECHANISCHE SCHWINGUNGEN
Schwingungsvorgänge und Schwingungsgrößen
Federpendel und Fadenpendel
harmonische Schwingung
Projektion der Schwingung und der Kreisbewegung
gedämpfte Schwingung, [Erzeugung ungedämpfter
Schwingungen]
Federpendel: gedämpfte Schwingung, Erfassung der Messwerte
mit Cassy (berührungsfreie Messung der Geschwindigkeit über
Induktion, nur phänomenlogische Erklärung des Messprinzips)
Federpendel: erzwungene Schwingung, Erfassung der Messwerte
mit Cassy
erzwungene Schwingung, Resonanz
Gekoppelte Pendel
Überlagerung von Schwingungen
[nichtlineare Schwingungen, Vorhersagbarkeit des
Schwingungsverhaltens]
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Richtlinien
Experimente
MECHANISCHE WELLEN
Entstehung und Ausbreitung von Transversal- und
Longitudinalwellen, Wellengleichung
Sling, Wellenmaschine
Beugung, Huygens'sches Prinzip, Reflexion, Brechung
Interferenz von Wellen, stehende Welle
Wellenwanne (Auslöschung und Verstärkung auf den Hyperbeln)
Schall als mechanische Welle, Ultraschall, Infraschall
Stehende Welle auf einem Seil,
Eigenschwingungen (Grund- und Obertöne,
Synchronisationsphänomene)
Kundt’sches Rohr, Chladni’sche Klangfiguren
Dopplereffekt
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Richtlinien
Experimente
GRAVITATION
astronomische Weltbilder
Kepler'sche Gesetze, unser Planetensystem
Gravitationsgesetz, Gravitationsfeld, Gravitationsfeldstärke
Energie und Arbeit im Gravitationsfeld, Potential
Raketenprinzip, Raumfahrt
Cavendish-Gravitationswaage:
2
0
D*
J
Benutzung der Eigenschwingung des Drehpendels um die
Auslenkung.
Kosmologischer Ausblick
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Qualifizierungs-Phase (Q1, Q2) [11 –12]
Übersicht
Richtlinien
Vorgaben Zentral-Abitur 2009
[ alles verbindlich ]
Hinweise 2009
[ alles verbindlich ]
Experimente 2009
[in Vorgaben Abitur empfohlen]
fett: obligator. GK u LK
fett kursiv: obligatorisch nur LK
- Feldkraft auf
Ladungsträger im
homogenen Feld
• Ladungen und Felder
- elektrisches Feld,
elektrische Feldstärke
- zentralsymmetr. Feld,
Coulombsches Gesetz
- radialsymmetrisches Feld z.B.
mit der Drehwaa- elektrisches Feld, elektrische
ge [Schürholz]
- pot. Energie im elektr Feld,
Spannung, Potential
Feldstärke
- elektr Feldkonstante
-- Feldkraft auf Ladungsträger im
- elektr Kapazität
homogenen Feld,
- Influenz
- elektr Feld als Energieträger,
-- radialsymmetrisches Feld
(nur Leistungskurs)
- Dielektrikum, Dielektr.zahl
- Ein- und Ausschaltvorgänge bei Kondensatoren
Energiedichte
- magnet. Feld,
magnet Feldgröße B
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- potenzielle Energie im elektrischen
Feld
- Lorentzkraft
- Millikan-Versuch
- magnet Feldkonstante
- Ferromagnetismus,
Permeabilität
- magnetisches Feld,
- Braunsche Röhre
elektr u magnet Feldern
magnetische Feldgröße B,
Lorentzkraft (Stromwaage)
- Bewegung v LadTrägern in
- Erzeugung eines e- -Strahls
- Fadenstrahlrohr
- e/m – Bestimmung
- elektr LeitgsVorgänge in
- Wien-Filter
festen Körper, Flüssigkeiten
- Bewegung von Ladungsträgern in
u Gasen
elektrischen und magnetischen Feldern
-- Braunsche Röhre,
- Hall-Effekt
-- Fadenstrahlrohr,
-- Wien-Filter,
- Stromwaage
-- Hall-Effekt (nur Leistungskurs)
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Vorgaben
Hinweise
Experimente
Richtlinien
- elektromagn Induktion,
Induktionsgesetz
- Magnetfelder stromdurchflossener
• Elektromagnetismus
Leiter und Spulen
- Induktion in Spulen
- Elektromagnetische Induktion,
Induktionsgesetz
-- Drehung einer Leiterschleife im
homogenen Magnetfeld
Berücksichtigung der
Änderung der magnetischen Flussdichte B und
der
durchsetzten Fläche A
beim Induktionsgesetz
- Drehung einer Leiterschleife im
homogenen Magnetfeld
- Verzögerter Einschaltvorgang bei
Parallelschaltung von L und R
- Ein- und Ausschaltvorgänge bei
Spulen
- Selbstinduktion, Induktivität
-- verzögerter Einschaltvorgang bei
- Schwingkreise mit und ohne
- Selbstinduktion,
Induktivität
- Magnetfeld als Träger v
Energie, Energiedichte
- Erzeugung von ~Spannung
- Transformator, Übertragung
elektr Energie
- ~Strom-Widerstände,
Reihen- u Parallel-Schaltg,
Leistung
Dämpfung
-- Parallelschaltung von L und R,
-- Ein- und Ausschaltvorgänge bei
Spulen
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• Elektromagnetische Schwingungen
- Mikrowelleninterferenz
- elektromagnet SchwgKrs
(Grundphänomene, Analo-
und Wellen
gien zum mechan Osz)
- Wellenwanne
- Elektromagnetischer Schwingkreis,
Schwinggen, Rückkopplung
Analogie zum mechanischen Oszillator (RCLSchwingkreis 1Hz,
Federpendel)
Kenntnis der
Thomsonschen
Schwingungsformel,
Analogie zum
- Interferenz
-- Mikrowelleninterferenz
-- Wellenwanne
mechanischen Oszillator
auch bezüglich der
Energiebilanzen
- Lichtbeugung am
- e.m. Wellen (Ausbreitung,
-- Spalt
Hertzscher Dipol,
-- Doppelspalt und
Maxwell’sche Postulate)
-- Gitter
- Ausbreitung v Licht
(Beugung, Interferenz,
Reflexion, Brechung,
- Wellenlängenmessung
-- Lichtbeugung am Spalt
Polarisation)
- IR- u UV-Strahlg, Strahlungs
-- Doppelspalt und Gitter
-- Wellenlängenmessung
- Erzeugg ungedämpfter e.m.
gesetze
- Michelson-Experiment
[ Interferometer ]
- Informations-Übertragung d
e.m. Wellen
- Holographie
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Vorgaben
Hinweise
Experimente
Richtlinien
- Invarianz der Newton’schen
• Relativitätstheorie (nur Leistungskurs)
Mechanik bei Inertialsystem
wechsel
- Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und
deren Konsequenzen
(Michelson [-Morley] Experiment)
- relativistischer Impuls,
Äquivalenz von Masse und Energie
- Ätherhypothese u MichelsonLorentzkontraktion,
Zeitdilatation und der
relativistische Energiesatz
E02 = E2 - p2 · c2 ; keine
Lorentztransformation und
keine MinkowskiDiagramme
Versuch
- relativist Kinematik
Michelson -[Morley] Experiment
- Erhaltungssätze d relativist
Dynamik
- Äquivalenz von Masse u
Energie
- Invarianz der elektr Ladung
- Transformation elektr u
magnet Felder
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[nur Pflichtprogramm]
• Thermodynamik (nur Leistungskurs)
- Thermodynamische Maschinen
- 1. HS d Thermodynamik
(Stirling-Motor, Stirling-Kreisprozess,
- Entropie u 2. HS der ThDyn
Wärmepumpe)
- dissipative Strukturen
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Vorgaben
Hinweise
Experimente
Richtlinien
• Atom- und Kernphysik
- Atommodelle
- Beobachtung von Spektrallinien am
- Linienspektren und Energiequantelung
Gitter [„Freiland-Versuch“]
des Atoms, Atommodelle
- Franck-Hertz-Versuch
(Beobachtung von Spektrallinien am Gitter,
Franck-Hertz-Versuch)
[ Röntgenphysik ]
-- Röntgenspektroskopie
- Ionisierende Strahlung
(Röntgenspektroskopie)
Bohrsches Atommodell,
Potentialtopfmodell (nur
Leistungskurs)
-- Röntgenbeugung
-- Absorptionsspektren
[ Radioaktivität ]
- Radioaktiver Zerfall
(Halbwertszeitmessung, Reichweite von
Gammastrahlung,
Absorption von Gammastrahlung)
-- Halbwertszeitmessung
-- Reichweite von Gammastrahlung
-- Absorption von Gammastrahlung
-- Natürliche Radioaktivität
- ionisierende Strahlung
(Strahlungs-Arten,
Nachweismethoden)
- radioakt Zerfall
(Zerfallsgesetz, Zerfallsprozesse)
- Spektroskopie (Röntgen-, und -Strahlg)
- Kernspaltung und
Kernfusion
(Kernbausteine, BindungsEnergie, Kettenreaktion)
α,β,γ-Strahlung
-- Szintillationszähler (wenn vorh.) u.
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-- Energieverteilung [der Strahlg. ]
-- Künstliche Radioaktivität
-- Neutronenaktivierung (in der
Regel als Film oder Simulation)
• Quanteneffekte
- lichtelektr. Effekt und
Lichtquantenhypothese
- Lichtelektrischer Effekt und
- Linienspektrum u Energie-
Lichtquantenhypothese
Quantelung d Atoms,
-- h-Bestimmung mit Photozelle und
Gegenfeldmethode
- h-Bestimmung mit Photozelle und
Gegenfeldmethode
- de Broglie-Theorie des Elektrons,
Welleneigenschaften von Teilchen,
-- Elektronenbeugung an polykristalliner
Materie
- Bohr’sches Atommodell
[verbindl. wg. „Hinweise“ !!]
- De Broglie-Theorie d Elektr.s
- Grenzen d Anwendbarkeit
- Elektronenbeugung an polykristalliner Materie
klass. Begriffe in der
Quantenphysik
- Heisenberg’sche
- Grenzen der Anwendbarkeit klassischer
Begriffe in der Quantenphysik
-- Doppelspaltversuch mit Elektronen und
Unbestimmtheitsrelation
- Quantenobjekte u Mess-Prozesse
- Schrödinger-Gleichung u
Anwendungen (H-Atom,
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Licht reduzierter Intensität
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Tunnel-Effekt)
- Pauli-Prinzip (Spin, Aufbau des
Periodensystems)
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Verbindliche Reihenfolge
Verbindliche Reihenfolge im GK
Verbindliche Reihenfolge im LK
Stoff der 12
• Ladungen und Felder
• Ladungen und Felder
- elektrisches Feld, elektrische Feldstärke
- elektrisches Feld, elektrische Feldstärke
-- Feldkraft auf Ladungsträger im homogenen Feld,
-- Feldkraft auf Ladungsträger im homogenen Feld,
-- radialsymmetrisches Feld
- potenzielle Energie im elektrischen Feld
- potenzielle Energie im elektrischen Feld
- magnetisches Feld,
magnetische Feldgröße B,
Lorentzkraft (Stromwaage)
- magnetisches Feld,
magnetische Feldgröße B,
Lorentzkraft (Stromwaage)
- Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen
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Feldern
-- Braunsche Röhre,
-- Fadenstrahlrohr,
-- Wien-Filter,
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- Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen
Feldern
-- Braunsche Röhre,
-- Fadenstrahlrohr,
-- Wien-Filter,
-- Hall-Effekt
• Elektromagnetismus
• Elektromagnetismus
- Elektromagnetische Induktion,
- Elektromagnetische Induktion,
Induktionsgesetz
Induktionsgesetz
-- Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld
-- Drehung einer Leiterschleife im homogenen Magnetfeld
- Selbstinduktion, Induktivität
- Selbstinduktion, Induktivität
-- verzögerter Einschaltvorgang bei
-- verzögerter Einschaltvorgang bei
-- Parallelschaltung von L und R,
-- Parallelschaltung von L und R,
-- Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen
-- Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen
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• Elektromagnetische Schwingungen
und Wellen
- Elektromagnetischer Schwingkreis,
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• Elektromagnetische Schwingungen
und Wellen
- Elektromagnetischer Schwingkreis,
Analogie zum mechanischen Oszillator (RCL-Schwingkreis 1Hz,
Analogie zum mechanischen Oszillator (RCLSchwingkreis 1Hz,
Federpendel)
Federpendel)
- Interferenz
- Interferenz
-- Mikrowelleninterferenz
-- Mikrowelleninterferenz
-- Wellenwanne
-- Wellenwanne
-- Lichtbeugung am Spalt
-- Lichtbeugung am Spalt
-- Doppelspalt und Gitter
-- Doppelspalt und Gitter
-- Wellenlängenmessung
-- Wellenlängenmessung
• Relativitätstheorie
- Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und deren Konsequenzen
(Michelson [-Morley] Experiment)
- relativistischer Impuls, Äquivalenz von Masse und Energie
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Stoff der 13
• Thermodynamik
- Thermodynamische Maschinen (Stirling-Motor, Stirling-Kreisprozess,
Wärmepumpe)
• Atom- und Kernphysik
• Atom- und Kernphysik
- Linienspektren und Energiequantelung des Atoms, Atommodelle
- Linienspektren und Energiequantelung des Atoms, Atommodelle
(Beobachtung von Spektrallinien am Gitter, Franck-Hertz-Versuch)
(Beobachtung von Spektrallinien am Gitter, Franck-Hertz-Versuch)
- Ionisierende Strahlung (Röntgenspektroskopie)
- Ionisierende Strahlung (Röntgenspektroskopie)
- Radioaktiver Zerfall (Halbwertszeitmessung, Reichweite von
Gammastrahlung, Absorption von Gammastrahlung)
- Radioaktiver Zerfall (Halbwertszeitmessung, Reichweite von
Gammastrahlung, Absorption von Gammastrahlung)
• Quanteneffekte
• Quanteneffekte
- Lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese
- Lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese
-- h-Bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode
- de Broglie-Theorie des Elektrons, Welleneigenschaften von Teilchen,
-- h-Bestimmung mit Photozelle und Gegenfeldmethode
- de Broglie-Theorie des Elektrons, Welleneigenschaften von Teilchen,
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-- Elektronenbeugung an polykristalliner Materie
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-- Elektronenbeugung an polykristalliner Materie
- Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik
- Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik
-- Doppelspaltversuch mit Elektronen und Licht reduzierter Intensität
-- Doppelspaltversuch mit Elektronen und Licht reduzierter Intensität
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Fachliche Hinweise
Für das Zentralabitur im Fach Physik gelten unverändert die veröffentlichten Vorgaben (Stand Februar 2005). Die unter www.learnline.nrw.de in Netz gestellten
Beispielaufgaben verdeutlichen den Zusammenhang der Obligatorik des Fachs mit diesen Vorgaben.
Die folgenden Hinweise sollen der weiteren Klärung und Präzisierung dienen:
Zum Grad der erwarteten mathematischen Kompetenzen:
Neben Kompetenzen aus dem Grundkurs Mathematik werden folgende weitere mathematische Kompetenzen vorausgesetzt:
für Grund- und Leistungskurs:
 Kenntnis der Punktnotation für Ableitungen von physikalischen Größen nach der Zeit
 Umgang mit trigonometrischen Funktionen
für den Leistungskurs:
 Lösungen von Differenzialgleichungen mit vorgegebenem Ansatz, wie sie bei ungedämpften harmonischen Schwingungen, bei Ein- und
Ausschaltvorgängen und beim radioaktiven Zerfall zur mathematischen Beschreibung der Vorgänge herangezogen werden.
Zu „Hilfsmittel“:
 Es sind nur die im Handel erhältlichen und im Kurs genutzten Formelsammlungen zulässig, keine selbst erstellten oder ergänzten.
 Als Taschenrechner sind die im Kurs genutzten Rechner zulässig, auch grafikfähige Taschenrechner oder CAS.
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Zu „Inhaltliche Schwerpunkte“:
 Die in den Vorgaben in Klammern angegebenen Experimente sind geeignete
Beispiele für die Erarbeitung der Inhalte im Unterricht. Ihre Durchführung ist nicht obligatorisch.
Experimente zur Vorbereitung auf das Zentralabitur
Die Liste enthält empfehlenswert durchzuführende Experimente sowohl im Grundkurs als auch im Leistungskurs Physik, der Unterschied ist nur bei der Tiefe
der Analyse zu sehen. Die Durchführung der Experimente sollte im Zentrum des Unterrichts stehen, wenn die Sammlung es zulässt. Sofern die Ausstattung der
Sammlung die Durchführung nicht zulässt, ist es auch möglich die Experimente z.B. mit Hilfe von Filmen oder Simulationen zu beschreiben oder das Internet zu
nutzen, um die Durchführung online zu demonstrieren, was von einigen Hochschulen schon angeboten wird. Auch eine Besprechung mit Darstellungen in
Lehrbüchern ist möglich, wenn auch die anderen Alternativen vorzuziehen sind. Schülerexperimente sind wo möglich dem Demonstrationsexperiment
vorzuziehen.
Fachmethoden
Der Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe vermittelt neben der Kenntnis wichtiger physikalischer Phänomene, Begriffe, Gesetze und Modelle mindestens
gleichrangig eine Vertiefung und Weiterführung fachspezifischer Methoden und Arbeitsweisen, die insbesondere dazu beitragen, Schülerinnen und Schüler
physikalische Sichtweisen sowie Möglichkeiten und Grenzen naturwissenschaftlichen Denkens erfahren zu lassen. Die Fachmethoden werden im Rahmen der
kontextorientierten Behandlung der Inhalte der Sachbereiche integrativ vermittelt. Dabei baut der Unterricht auf dem der Sekundarstufe I auf und intensiviert,
präzisiert und erweitert die in den Richtlinien und Lehrplänen formulierten Fachmethoden.
So sollen die Schülerinnen und Schüler in der gymnasialen Oberstufe insbesondere folgende Fähigkeiten und Fertigkeiten erreichen:
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Beobachten, beschreiben, physikalisch fragen
Erscheinungen in Natur, Umwelt, Technik und Experiment aus physikalischer Sicht beobachten und Phänomene unter physikalischen Fragestellungen
theorie- und modellgeleitet beschreiben und analysieren
aus Beobachtungen physikalische Fragestellungen entwickeln und formulieren bzw. mit physikalischen Methoden den mithilfe der Physik
beschreibbaren Bereich des jeweiligen Wirklichkeitsausschnitts erschließen sowie Arbeitshypothesen aufstellen, überprüfen und modifizieren
mit Gesprächspartnern unterschiedlicher physikalischer Vorbildung über physikalische Sachverhalte angemessen kommunizieren (adäquate
Verwendung von Fach- und Umgangssprache)
Experimente planen und durchführen
umfangreichere und anspruchsvollere Experimente planen, sorgfältig durchführen und auswerten
verschiedene Visualisierungsmöglichkeiten der Messwerte kennen, angemessen verwenden und bewerten
Physikalische Gesetze und Begriffe erarbeiten
anhand der grafischen und rechnerischen Auswertung von Experimenten Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen qualitativ und quantitativ
darstellen
Gesetze finden und sie unter Zuhilfenahme geeigneter Modelldarstellung (Modellbildung) formulieren
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sich sinnvoll und angemessen der verschiedenen Wege der physikalischen Erkenntnisgewinnung bedienen
physikalische Begriffe bilden
Gesetze und Modelle anwenden und reflektieren
physikalische Gesetze und Modelle zur Erklärung und Vorhersage von Phänomenen heranziehen
die Berechtigung, die Zweckmäßigkeit, den Gültigkeitsbereich und die Grenzen von Modellen bewerten
Gesetze und Modelle anwenden und hinsichtlich ihrer Bedeutung und Tragfähigkeit reflektieren
Physikalische Erkenntnisse auf aktuelle außerschulische Probleme anwenden
physikalische Erkenntnisse zur Klärung von Problemen der Lebenswelt heranziehen
den Beitrag der Physik zur Beurteilung und Lösung von Problemen der Umwelt und Technik erkennen und bewerten
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Die Bedeutung physikalischer Erkenntnisse reflektieren
den Einfluss physikalischer Erkenntnisse auf das Weltbild und das Bild vom Menschen reflektieren
die grundsätzliche Begrenztheit von Inhalt und Bedeutung physikalischer Erkenntnisse erkennen und hinterfragen
die Wechselwirkung physikalischer Erkenntnisse mit der gesellschaftlichen Entwicklung erkennen.
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