Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik
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ASG Laichingen, Fachschaft Physik 1/2 Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik Einzuführende Methoden in Klasse 7 und 8: • In Gruppen nach vorgegebenen Arbeitsaufträgen experimentieren; • Experiment protokollieren; • Eigenständig Erarbeitetes kurz präsentieren; • Daten systematisch sammeln, ordnen, in Diagrammen darstellen und diese interpretieren; • Formelsammlung und Tabellenwerk verwenden; Physik Klasse 7 (2-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Aufbau und Eigenschaften von Körpern Temperatur und ihre Messung; thermisches Ausdehnungsverhalten von Körpern; Teilchenmodell; Akustik Einfache Schallerscheinungen; Töne; Frequenz und Amplitude; Ausbreitung des Schalls Reflexion des Schalls, Echo Schallgeschwindigkeit Optik Lichtquellen; Lichtausbreitung und Lichtstrahl; Helligkeit und Schatten; Reflexion des Lichts mit Streuung Brechung des Lichts; Prisma; Abbildungen Lochkamera; Abbildungsgesetz; Konvexlinse, Konkavlinse; Linsengesetz; Optische Geräte: Fernrohre; Diaprojektor Brillen Sehen und Farben; spektrale Zerlegung des Lichts; nichtsichtbare Spektralbereiche; Energie mechanische Energieformen und innere Energie Energieumwandlung Energieerhaltung Reibung; Reibungskraft; Energieversorgung Bemerkungen/Methoden < ges 58> <6> → Naturphänomene Wiederholung <12> Schwingungsversuche Pendelversuche mit Teilchenmodell <22> eventuell Mond und Planetenphasen und Finsternisse → Analogie zum Schall Einheit bietet sich an, größtenteils im Praktikum erarbeitet zu werden Augenfehler und ihre Korrektur <18> Teilchenmodell auf mechanischem Weg → Arbeit verrichten auch regenerative Energieversorgung ASG Laichingen, Fachschaft Physik Physik Klasse 8 2/2 (2-stündig) Inhalte Magnetismus Magnete und ihre Wirkungen; Magnetische Influenz; Modell der Elementarmagnete; Magnetfeld; Erdmagnetfeld Elektrizitätslehre Elektrische Stromkreise Leiter und Isolatoren Wirkungen des Stroms Gefahren des Stroms Elektrische Ladungen und ihre Eigenschaften; elektrische Influenz; elektrisches Feld; Blitz; Praktikum Bemerkungen → Naturphänomene Kurzreferate < ges 58> <38> Wiederholung → Naturphänomene Atommodell: Kern und Hülle Kräfte zwischen Ladungen, Neutralisation → Analogie zur magnetischen Influenz → Analogie zum magnetischen Feld Strom als bewegte elektrische Ladung; Ladungserhaltung Stromstärke; Elektrisches Potenzial und Spannung Elektrische Energie Elektrische Leistung Energieversorgung Elektrischer Widerstand Mechanik Geschwindigkeit bei gleichförmiger Bewegung; Kräfte und deren Messung; Kräftegleichgewicht; Trägheit; Gewichtskraft; Masse; Ortsfaktor; Dichte; Druck; qualitativ: Impuls; Reihen und Parallelschaltung <20 Fahrbahnversuche Hooksches Gesetz Körper sind träge und schwer → Masse Masse- und Volumenbestimmung (u.a. mit Überlaufmethode) ASG Laichingen, Fachschaft Physik 1/2 Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik Einzuführende Methoden in Klasse 9 und 10: • In Gruppen nach vorgegebenen Arbeitsaufträgen experimentieren; • Experiment protokollieren; • Eigenständig Erarbeitetes kurz präsentieren; • Daten systematisch sammeln, ordnen, in Diagrammen darstellen und diese interpretieren; • Formelsammlung und Tabellenwerk verwenden; Physik Klasse 9 (2-stündig) Praktikum Kurzreferate Inhalte Elektrizitätslehre Leiter im Magnetfeld; der Elektromotor; der Wirkungsgrad eines Elektromotors Bemerkungen/Methoden < ges 58> <8> Elektromotormodell Elektromagnetische Induktion <9> Induktion in der Spule und im Leiter; Lorentzkraft und Drei-Finger-Regel der linken Hand; Erzeugung von Wechselspannung; der Generator; der Transformator; der unbelastete Transformator Übertragung und Verteilung elektrischer Energie; Elektronik <13> Halbleiterbauelemente die Diode, Kennlinie Eigenleitung, Dotierung, Gleichrichter; Oszilloskoppraktikum der Transistor, Feldeffekttransistoren als Schalter und Verstärker; Kennlinie Informationstechnologie; Darlington- / Flip-Flop- Schaltung Wärmelehre <28> Temperatur und Teilchenbewegung; Wiederholung innere Energie; Energiezufuhr und - Temperaturänderung, spezifische Wärmekapazität; - Zustandsänderung, Verdunsten spezifische Schmelz- und Verdampfungsenergie; Energietransport; Wärme-Kraft-Maschinen; Entropie, das Peltiermodul, reversible und irreversible Vorgänge; ASG Laichingen, Fachschaft Physik Physik Klasse 10 2/2 (2-stündig) Praktikum Inhalte Bemerkungen Bewegungen gleichförmige Bewegung; → NWT beschleunigte Bewegung die Beschleunigung; Bewegungsarten Gesetze der gleichmäßig beschl. Bewegung; Fallbewegungen; Energieerhaltung; Reibung; Lage-, Bewegungs- und Spannenergie (quantitativ); Energiebilanzen; Grundgesetz der Mechanik; Isaac Newton Impulserhaltung Wechselwirkungsgesetz; Impuls- und Energieerhaltung gleichzeitig; Kreisbewegungen Bahngeschwindigkeit; Zentripetalkraft (qualitativ); Drehimpuls (qualitativ) und Drehimpulserhaltung; Struktur der Materie Rutherford’sches Atommodell; Kernaufbau; Radioaktivität Nachweis; Zählrate, Nulleffekt; α-, β- und γ-Strahlung; Zerfallskurve und Halbwertszeit; Strahlenwirkung, Strahlenschutz; Kernspaltung; Kernkraftwerke (Druckwasserreaktor); Energie und Umwelt Energiequellen; Energienutzung; Kraftwerkstypen im Vergleich; Treibhauseffekt; Kurzreferate < ges 58> <24> <16> → Chemie Marie Curie C14-Methode Otto Hahn, Liese Meitner historische Entwicklung <8> Energieentwertung, → NWT <5> Felder (qualitativ) Magnetisches und elektrisches Feld; Gravitationsfeld; Weltbilder oder Gruppenarbeit; → NWT <5> ASG Laichingen, Fachschaft Physik 1/8 Kerncurriculum des 8-jährigen Gymnasiums für das Fach Physik Physik Kursstufe (4-stündig) Inhalte Grundkompetenzen aus der Sekundarstufe I (Wiederholung) Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung; Messung: Temperatur Zeit, Masse, Massendichte, Druck Energie, Energieerhaltung elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung, Ladungserhaltung Praktikum Kurzreferate Bemerkungen/Methoden Diese Inhalte können zum Einstieg in die Kursstufe als Wiederholung in Teamarbeit, und teilweise im Schülerpraktikum als Möglichkeiten für projektorientiertes Arbeiten durchgeführt werden. ( z.B. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen und el. Energiequellen im Alltag) Im Weiteren erfolgt eine Vertiefung bzw. Vernetzung mit neuen Inhalten der Kursstufe Kennlinien von Geräten Kraft, Geschwindigkeit, Impuls, Impulserhaltung, Beschleunigung Entropie, Entropieerzeugung qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls, Drehimpulserhaltung Struktur: Strom, Antrieb(Ursache), Widerstand Gravitationsfeld, elektrisches Feld, magnetisches Feld mechanische, elektrische und thermische Energiespeicher und Energietransporte Erde: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten, regenerative Energieversorgung (z.B.: Solarzelle, Brennstoffzelle) < ges > <5 - 8> Vertiefung: Innenwiderstand von Geräten Arbeitspunkt ASG Laichingen, Fachschaft Physik Physik Kursstufe 2/8 (4-stündig) Inhalte Grundlagen der Elektrodynamik – Maxwell Wiederholung: Wahrnehmung: Schwere; Messung: Schwerkraft Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke bzw. Flussdichte Praktikum Bemerkungen Kurzreferate <50 - 68 > Wiederholung des Feldes als Modellvorstellung: Gravitationsfeld, elektrisches Feld, magnetisches Feld unter Analogieaspekten: Wirkung Visualisierung durch Feldlinien Ursache Elektrische Feldstärke Graviationsfeldstärke Analogiebetrachtungen zwischen elektrischen und Gravitationsfeld Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien) Potential und Spannung im elektrischen Feld Die Wiederholung der Grundlagen aus der Mittelstufe kann selbstständig, z.B. in Form von Planarbeit oder Teamarbeit erfolgen Der in den Vorjahren eher qualitativ erarbeite Feldbegriff soll jetzt quantitativ betrachtet werden. Mit einem entsprechenden Computerprogramm (z.B. FeldLab) sollen die Schülerinnen und Schüler die Struktur elektrischer Felder graphisch veranschaulichen (Farbverlauf, Feldlinien, Äquipotenzialflächen). Quantitativer Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke im homogenen elektrischen Feld Kondensator, Kapazität Kapazität des Plattenkondensators Bei Auf- und Entladevorgängen von Kondensatoren soll ein Messwerterfassungssystem (im Schülerpraktikum) zum Einsatz kommen. Elektrische Feldkonstante Materie im elektrischen Feld, εr Elektrisches- und Gravitationsfeld als Energiespeicher (quantitativ für Plattenkondensator, Gravitationsfeld im homogenen Bereich) Möglichkeiten für Präsentationen oder Gruppenpuzzle: Elektrisches Feld der Erde Laserdrucker Blitzableiter Staubfilter bei Kohlekraftwerk Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Längsfeld Quantisierung elektrischer Ladung Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke bzw. Flussdichte Magnetische Feldkonstante Magnetische Flussdichte Materie im Magnetfeld, µr Lorentzkraft, Betrag und Richtung Magnetisches Feld als Energiespeicher Eine Formulierung der Lorentzkraft mithilfe des Vektorprodukts wird nicht erwartet. ASG Laichingen, Fachschaft Physik 3/8 (quantitativ für Spule) Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien) Analogiebetrachtungen zwischen elektrischem, magnetischem und Gravitationsfeld Bewegung geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld (qualitativ) Kräftegleichgewicht zwischen elektrischer und magnetischer Kraft Kreisbahn im Magnetfeld quantitativ e/m Bestimmung Halleffekt Magnetische Flasche Erdatmosphäre Magnetischer Fluss Induktion, Induktionsgesetz Magnetisches Feld und magnetische Flussdichte einer langgestreckten Spule Induktivität Induktivität der langgestreckten Spule Wiederholung: Alltagsgeräte, Elektromotor, Generator Am Beispiel der langgestreckten Spule kann die Energie im magnetischen Feld quantitativ behandelt werden. Möglichkeit zum Einsatz eines Messwerterfassungssystems (Einschaltvorgang) Technische Anwendung: Energieversorgung Möglichkeit für eine Exkursion Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen, Generatorprinzip Phänomen des Energietransports durch elektromagnetische Felder Grundlegendes Prinzip eines Transformators Grundlagen der Maxwelltheorie, in der die Elektrodynamik auf 4 Aussagen zurückgeführt wird: Positive Ladung als Quelle und negative Ladung als Senke des E-Feldes Quellenfreiheit des magnetisches BFeldes Ein sich veränderndes B-Feld erzeug ein E-Feld (Induktion) Ein elektrischer Strom bzw. ein sich veränderndes E-Feld erzeugt ein B-Feld Alltagsgeräte: Induktionsherd, Wirbelstrombremse, el. Weidezaun (Einsatz eines Simulationsprogramms möglich, z.B. Yenka) GFS ASG Laichingen, Fachschaft Physik Physik Kursstufe 4/8 (4-stündig) Inhalte Schwingungen und Wellen Praktikum Bemerkungen Kurzreferate <50 - 72> Wiederholung: Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören; Messung: Amplitude, Frequenz Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen Beispiele für mechanische und elektromagnetische Schwingungen Frequenz Periodendauer Amplitude An die Erarbeitung der Gemeinsamkeiten von Schwingungen ist gedacht. Durch Entladung von Kondensatoren über Spulen kann zum Phänomen der elektromagnetischen Schwingung übergeleitet werden. Hier bietet sich die Möglichkeit eines Schülerpraktikums mit Hilfe eines Messwerterfassungssystems an. Analogie der Größen und Bauteile bei mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen Analogie zwischen mechanischen und elektromagnetischen Schwingungssystemen Energiebilanzen in schwingenden Systemen Wiederholung Erhaltungssätze Herleitung der entsprechenden Differenzialgleichungen und Lösungen harmonischer Schwingungen. Dämpfung: Energie- und Entropiebilanz Mechanische Welle als Phänomen Eigenschaften von Wellen Wellenlänge und Frequenz Ungedämpfte elektromagnetische Schwingungen Ausbreitungsgeschwindigkeit Lineare harmonische Querwelle Eigenschwingungen in Natur und Technik: z.B.: Musikinstrumente Lösungen der Wellengleichung: Auslenkung s(x, t) des Wellenträgers, Beispiele entweder in Abhängigkeit des Ortes oder der Zeit Elektromagnetische Welle als Phänomen Licht als elektromagnetische Welle Analogie mechanischer und elektromechanischer Wellen, insbesondere Vergleich von Schall und Licht Reflexion (auch Totalreflexion) Streuung (qualitativ) Modellvorstellungen von Licht, auch im historischen Kontext ASG Laichingen, Fachschaft Physik 5/8 Brechung (qualitativ) Beugung Polarisation (qualitativ) Einzelspalt, Doppelspalt, Mehrfachspalt, Gitter Wahrnehmung von Helligkeit, Messung von Intensitätsverteilungen Bei der Beschreibung von Interferenzerscheinungen kann die Zeigerdarstellung verwendet werden. Experimentelle Aufnahme einer Intensitätsverteilung Überlagerung von Wellen (Interferenz, stehende Welle, Eigenschwingung) Ausbreitungsgeschwindigkeit mechanischer und elektromagnetischer Wellen Keine Besonderheiten der Longitudinalwelle nötig. Möglichkeiten zum Einsatz eines Messwerterfassungssystems Musikinstrumente: Über das Sender-Empfänger-Modell hinaus ist hier daran gedacht, auch Schall als Wellenphänomen (z.B. stehende Welle) zu betrachten. Überblick über das elektromagnetische Spektrum Spektren verschiedener Strahler und Spektrallampen (Zusammenhang und Unterschied zwischen Frequenz und Farbe) Abhängigkeit des Auflösungsvermögens von der Wellenlänge und Konsequenzen für die Technik Wiederholung: natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Strahlungshaushalt der Erde Projekt zur Klimaproblematik Alltagsbezug elektromagnetische Strahlung, Chancen und Risiken technischer Entwicklungen Kritische Textanalyse Elektrosmog 2 Beispiele aus folgenden: WLAN, Mobiltelefon, Hochspannungsleitung, Mikrowellenofen, schnurlose Telefone, Trafos in Räumen Die technischen Inhalte lassen sich im Rahmen einer GFS darstellen. Wiederholung: Diode als richtungsabhängiger Widerstand, Transistor als steuerbarer Widerstand Informationstechnologie und elektronische Schaltungen Grenzwerte für elektromagnetische Strahlung Detektorradio Schülerpraktikum: einfache MW-Radioempfänger Modulationsarten ASG Laichingen, Fachschaft Physik Physik Kursstufe 6/8 (4-stündig) Inhalte Quantenphysik Praktikum Bemerkungen Kurzreferate <20 - 38> Photoeffekt Praktikum: z.B.: h-Bestimmung Planck’sches Wirkungsquantum Schulexperimente sind nur mit vielen Photonen oder vielen Elektronen möglich. Experimente mit einzelnen Quantenobjekten – wie sie in der aktuellen Forschung durchgeführt werden – lassen sich mithilfe von geeigneter Software oder Gedankenexperimenten darstellen (z.B. Doppelspaltexperiment, Interferometer). Zur Beschreibung der Phänomene sollte keine Modellvorstellung eingesetzt werden, in der das Nebeneinander von Wellen- und Teilchenmodell dargestellt wird. So kann z.B. die didaktische Reduktion der QED von Richard Feynman der Ausgangspunkt für diesen Unterrichtsgang sein. Hier kann das Zeigerkonzept erneut zum Einsatz kommen. Quantenobjekte: Zusammenhang Energie-Frequenz Zusammenhang Impuls-Wellenlänge Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten) Komplementarität (Ort-Impuls-Unbestimmtheit und Welcher-Weg-Information) Stochastisches Verhalten Verhalten beim Messprozess (Präparation von Quantenobjekten, Determiniertheit der Wellenfunktion, Kollaps der Wellenfunktion) Ein Quantenradierer-Experiment kann mit einfachen Mitteln in der Schule durchgeführt werden. Übergang vom Quantenobjekt zum klassischen Objekt, Dekohärenz Nichtlokalität, insb. Verschränktheit z.B. Experimente mit verschränkten Photonen Erkenntnistheoretische Aspekte formulieren Hier sollen Probleme der Kausalität besprochen werden. Es bietet sich an, hier auf philosophische Diskussionen einzugehen. Zum Beispiel: Sonnensystem, Universum, Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie, deterministisches Chaos Geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern Modellvorstellungen von Licht, auch im historischen Kontext Struktur der Materie <10 – 24> Wiederholung: Teilchenmodell, zeitgemäßes Atommodell Linearer Potenzialtopf Atomhülle und Energiequantisierung Linienspektren Grundlegende Gedanken der Schrödingergleichung und ihre Bedeutung für die Atomphysik Atomkern Wiederholung: Kernspaltung, Radioaktivität. Hierbei ist nicht an eine mathematische Behandlung der Schrödingergleichung, sondern an die Erarbeitung mit Hilfe geeigneter Simulationssoftware in Teamarbeit gedacht. Das Thema „Linienspektren“ soll in Klasse 10 bei „zeitgemäßen Atommodellen“ inhaltlich vorbereitet werden. Beispiele für Potenziale: Eindimensionaler unendlich hoher Potenzialtopf. Hier ist die Analogie zwischen stehenden Wellen und Wellenfunktionen hilfreich. ASG Laichingen, Fachschaft Physik Aspekte der Elementarteilchenphysik im Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks Untersuchungsmethoden (Spektren, hochenergetische Strahlen, Detektoren) Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen 7/8 Eindimensionaler endlich hoher Potenzialtopf Coulomb-Potenzial, Quantenzahlen und Orbitale beim Wasserstoffatom ASG Laichingen, Fachschaft Physik 8/8
