9 Physik I
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9 Jahrgangsstufe 9 Physik I (3-stündig) In dieser Jahrgangsstufe nimmt die Sicherheit der Schüler beim Experimentieren stetig zu, sie vertiefen die experimentelle Methode zur physikalischen Erkenntnisgewinnung. Sowohl in der Wärme- als auch in der Elektrizitätslehre wird das einfache Teilchenmodell erweitert, um weitere Phänomene erklären zu können. Durch die Ausweitung des Energiebegriffs ist es möglich, den Energieerhaltungssatz für abgeschlossene Systeme mit dem 1. Hauptsatz der Wärmelehre allgemein gültig zu formulieren. Die Schüler lernen, sich vom Bildhaften zu lösen und arbeiten auch abstrahierend mit der deduktiven Methode, z. B. bei der Einführung der absoluten Temperatur und bei der Herleitung der Gasgleichung. Ausgehend von Erscheinungen beim Magnetismus und der Einführung der elektrischen Ladung als Grundgröße lernen die Schüler den Feldbegriff als neues Modell kennen und erhalten fundierte, in unserer technisierten Welt notwendige Kenntnisse über die Zusammenhänge in der Elektrizitätslehre. Das im Fachprofil dargestellte Grundwissen wird der Jahrgangsstufe entsprechend angebahnt, geübt und gefestigt. Grundwissen Das Grundwissen wird erweitert um: Ph 9.1 • das Teilchenmodell auf thermische Prozesse anwenden • wissen, dass Arbeit und Wärme die beiden Möglichkeiten sind, Energie von einem System auf ein anderes zu übertragen • den ersten Hauptsatz der Wärmelehre kennen • die grundlegende Funktionsweise von Wärmemaschinen erfassen • magnetische Phänomene mit der Modellvorstellung des Ferromagnetismus erklären • den Begriff des Feldes als Modellvorstellung zur Beschreibung von Wechselwirkungen bzw. von Kraftwirkungen zwischen Körpern kennen und anwenden • wissen, dass bewegte elektrische Ladung ein Magnetfeld zur Folge hat, und grundlegende technische Anwendungen dieses Prinzips verstehen • die Grundgröße elektrische Ladung und die abgeleiteten Größen Stromstärke und Spannung mit ihren Einheiten • die Gefahren des elektrischen Stroms und Schutzmöglichkeiten kennen Wärmelehre (ca. 40 Std.) Die Schüler erfahren, dass zur Erklärung des thermischen Verhaltens von Körpern das Teilchenmodell erweitert werden muss, indem den Teilchen kinetische und potenzielle Energien zugeschrieben werden. Arbeit und Wärme stellen die beiden Möglichkeiten dar, Energie auf einen Körper zu übertragen, was eine Änderung der kinetischen und potenziellen Energien der Teilchen bzw. eine Änderung der inneren Energie des Körpers bedeutet. Damit werden die Schüler befähigt, thermische Phänomene sowie Beispiele aus der Natur und technische Anwendungen in adäquater Weise zu beschreiben. Innere Energie, Wärme, Temperatur (ca. 6 Std.) • innere Energie (Ei ) als Speichergröße; Änderung der inneren Energie eines Körpers durch Verrichten von mechanischer Arbeit oder durch Zufuhr bzw. Abgabe von Wärme; Temperaturänderung, Volumenänderung, Druckänderung, Änderung des Aggregatzustandes als Folge der Änderung der inneren Energie; Wärme (Wth ) als Übertragungsgröße • Temperatur als Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers (aus der Geschichte: Lord Kelvin); Temperaturänderung (Änderung der mittleren kinetischen Energie der Teilchen) 99. Aktualisierung März 2002 421 9 Jahrgangsstufe • Volumenänderung von Körpern bei Erwärmung und Abkühlung (Änderung der mittleren potenziellen und kinetischen Energie der Teilchen) • Festlegung der Grundgröße Temperatur durch ein Messverfahren, Temperaturskalen; Temperaturdifferenz, Temperaturmessgeräte (aus der Geschichte: A. Celsius) Wärmeübertragung (ca. 4 Std.) • Wärmeleitung (Wärmeleitung in festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen) • Wärmestrahlung (Emission, Absorption) Konvektion (ca. 2 Std.) Verhalten der Körper bei Temperaturänderung (ca. 6 Std.) • Längenänderung von Festkörpern ( = · 0 · ; Längenausdehnungskoeffizient) • Volumenänderung von Festkörpern (Volumenausdehnungskoeffizient; = 3 · ; V = · V0 · ) • Volumenänderung von Flüssigkeiten bei Temperaturänderung (analog zur Volumenänderung von Festkörpern) • Anomalie des Wassers (qualitativ); Beispiele aus der Natur Temperatur, Druck und Volumen als Zustandsgrößen eines eingeschlossenen Gases (ca. 6 Std.) • quantitativer Zusammenhang zwischen Temperatur und Volumen bei konstantem Druck analog zur Volumenänderung von Festkörpern (Gesetz von Gay-Lussac; Volumenausdehnungskoeffizient für Gase; Temperaturskala nach Kelvin) • allgemeine Gasgleichung Erwärmungsgesetz, spezifische Wärmekapazität (ca. 7 Std.) • Erwärmungsgesetz; spezifische Wärmekapazität • Leistung einer Wärmequelle • Energieaustausch bei Körpern unterschiedlicher Temperatur (Wthab + Wthauf = 0) Verdampfen (ca. 4 Std.) • Siedetemperatur von Flüssigkeiten; (-Wth-Diagramm; spezifische Verdampfungswärme) • Erklärung für den Siedevorgang • Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck [GE, VSE] • Verdunsten Erster Hauptsatz der Wärmelehre (ca. 5 Std.) • Ausdehnungsarbeit WVol = p · V bei der Volumenänderung einer eingeschlossenen Gasmenge • erster Hauptsatz der Wärmelehre: Wth = Ei + WVol; Energieerhaltungssatz (aus der Geschichte: H. Helmholtz, P. Joule, R. Mayer) • Bau und Funktionsweise von Wärmemaschinen (Dampfturbine oder Strahltriebwerk, Otto- und Dieselmotor), Art und Ausmaß von Umweltbelastungen [UE] Ph 9.2 Elektrizitätslehre (ca. 44 Std.) Aufbauend auf dem Wissen über den Magnetismus und über die elektrische Ladung als Grundgröße lernen die Schüler den elektrischen Stromkreis als Energieübertragungssystem kennen. Sie erarbeiten die Wirkungen des elektrischen Stroms und vertiefen ihre Kenntnisse anhand verschiedener Anwendungen. Mit den abgeleiteten Größen elektrische Stromstärke und elektrische Spannung verstehen die Schüler die Grundlagen der Elektrizitätslehre. 99. Aktualisierung März 2002 422 9 Jahrgangsstufe Magnetismus (ca. 6 Std.) • Magnete und magnetische Grunderscheinungen • magnetische Influenz; remanenter und permanenter Magnetismus • Modellvorstellung zum Ferromagnetismus • Magnetfeld; Begriff, Struktur, Abschirmung, Überlagerung; Magnetfeld der Erde Ruhende elektrische Ladung, elektrische Ladung als Grundgröße (ca. 6 Std.) • Kraftwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern • portionsweises Aufladen und Entladen von Körpern; Gleichheit und Vielfachheit von Ladungen • Elementarladung; Einheit als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung (aus der Geschichte: Ch. Coulomb) • Neutralisation von Ladungen; neutraler Leiter • Verteilung ruhender Ladungen auf einem geladenen metallischen Körper • Ladungstrennung durch eine Elektrizitätsquelle (Verschiedenartigkeit der Pole einer Elektrizitätsquelle), Ladungstrennarbeit, Ladungserhaltung • Kontaktelektrizität • Anwendungen: Fotokopierer, Laserdrucker, Entstaubung von Rauchgasen [GE] Elektrisches Feld (ca. 3 Std.) • elektrische Influenz bei Metallen und Nichtmetallen • Begriff, Nachweis, Struktur Bewegte elektrische Ladung; elektrischer Strom (ca. 8 Std.) • Stromkreis (Schaltsymbole, Schaltskizze; Leiter und Nichtleiter) • Elektrizitätsleitung in Metallen (Elektronenstromrichtung), Flüssigkeiten und Gasen • Erklärung des elektrischen Stromes mithilfe der Kraftwirkung auf elektrisch geladene, bewegliche Teilchen im elektrischen Feld; Erklärung der Wärmeentwicklung in einem stromdurchflossenen Metalldraht Q • Stromstärke als abgeleitete Größe, I = — (aus der Geschichte: A. Ampère) t • Gefahren des elektrischen Stromes (der menschliche Körper als Leiter, die besondere Schaltung des Stromnetzes; Kurzschluss, Körperschluss, Erdschluss; das Schutzkontaktsystem) [GE, VSE] Magnetfeld stromdurchflossener metallischer Leiter (ca. 3 Std.) • Magnetfeld eines geraden metallischen Leiters (aus der Geschichte: H. Ch. Oersted) • Magnetfeld einer Spule; Elektromagnet Kraftwirkung auf stromdurchflossene metallische Leiter im Magnetfeld (ca. 7 Std.) • Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen geraden metallischen Leiter im Magnetfeld • Lorentzkraft, UVW-Regel der linken Hand • Kraftwirkung auf eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld • Prinzip des Drehspulinstruments • Aufbau und Funktionsweise des Gleich- und Wechselstrommotors Elektrizitätsleitung im Vakuum (ca. 3 Std.) • glühelektrischer Effekt • Elektronenstrahl (geradlinige Ausbreitung, Beschleunigung und Ablenkung im elektrischen Feld und im magnetischen Feld; Anwendungen: Kathodenstrahloszilloskop, Bildröhre beim Fernsehgerät) [ME, GE] 99. Aktualisierung März 2002 423 9 Jahrgangsstufe Elektrische Arbeit – elektrische Energie – elektrische Spannung – elektrische Leistung (ca. 8 Std.) • elektrische Arbeit • Zu- oder Abnahme der elektrischen Energie beim Verrichten elektrischer Arbeit • Messung der elektrischen Arbeit • der elektrische Stromkreis als System der Energieübertragung • elektrische Spannung als abgeleitete Größe • Umwandlung elektrischer Energie in andere Energieformen • elektrische Leistung als abgeleitete Größe Vorschlag für mögliche Projekte • Temperaturmessgeräte • Elektromotoren selbst gebaut • Betriebserkundung bei der Bahn AG oder einem Motorenhersteller 99. Aktualisierung März 2002 424 9 Jahrgangsstufe 9 Physik II/III (2-stündig) In dieser Jahrgangsstufe nimmt die Sicherheit der Schüler beim Experimentieren stetig zu, sie vertiefen die experimentelle Methode zur physikalischen Erkenntnisgewinnung. Sowohl in der Wärme- als auch in der Elektrizitätslehre wird das einfache Teilchenmodell aus der letzten Jahrgangsstufe erweitert, um die Phänomene erklären zu können. Der Energiebegriff wird ausgeweitet und der Energieerhaltungssatz in allgemeiner Form als Erfahrungstatsache postuliert. Ausgehend von Erscheinungen beim Magnetismus und der Einführung der elektrischen Ladung als Grundgröße lernen die Schüler den Feldbegriff als neues Modell kennen und erhalten fundierte, in unserer technisierten Welt notwendige Kenntnisse über die Zusammenhänge in der Elektrizitätslehre. Das im Fachprofil dargestellte Grundwissen wird der Jahrgangsstufe entsprechend angebahnt, geübt und gefestigt. Grundwissen Das Grundwissen wird erweitert um: Ph 9.1 • das Teilchenmodell auf thermische Prozesse anwenden • wissen, dass Arbeit und Wärme die beiden Möglichkeiten sind, Energie von einem System auf ein anderes zu übertragen • die grundlegende Funktionsweise von Wärmemaschinen erfassen • magnetische Phänomene mit der Modellvorstellung des Ferromagnetismus erklären • den Begriff des Feldes als Modellvorstellung zur Beschreibung von Wechselwirkungen bzw. von Kraftwirkungen zwischen Körpern kennen und anwenden • wissen, dass bewegte elektrische Ladung ein Magnetfeld zur Folge hat, und grundlegende technische Anwendungen dieses Prinzips verstehen • die Grundgröße elektrische Ladung und die abgeleiteten Größen Stromstärke und Spannung mit ihren Einheiten • die Gefahren des elektrischen Stroms und Schutzmöglichkeiten kennen Wärmelehre (ca. 22 Std.) Die Schüler erfahren, dass zur Erklärung des thermischen Verhaltens von Körpern das Teilchenmodell erweitert werden muss, indem den Teilchen kinetische und potenzielle Energien zugeschrieben werden. Arbeit und Wärme stellen die beiden Möglichkeiten dar, Energie auf einen Körper zu übertragen, was eine Änderung der kinetischen und potenziellen Energien der Teilchen bzw. eine Änderung der inneren Energie des Körpers bedeutet. Damit werden die Schüler befähigt, thermische Phänomene sowie Beispiele aus der Natur und technische Anwendungen in adäquater Weise zu beschreiben. Innere Energie; Wärme; Temperatur (ca. 7 Std.) • innere Energie (Ei ) als Speichergröße; Änderung der inneren Energie eines Körpers durch Verrichten von mechanischer Arbeit oder durch Zufuhr bzw. Abgabe von Wärme; Temperaturänderung, Volumenänderung, Druckänderung, Änderung des Aggregatzustandes als Folge der Änderung der inneren Energie; Wärme (Wth ) als Übertragungsgröße • Temperatur als Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers (aus der Geschichte: Lord Kelvin); Temperaturänderung (Änderung der mittleren kinetischen Energie der Teilchen) • Volumenänderung von Körpern bei Erwärmung und Abkühlung (Änderung der mittleren potenziellen und kinetischen Energie der Teilchen); Anomalie des Wassers (qualitativ); Beispiele aus der Natur • Festlegung der Grundgröße Temperatur durch ein Messverfahren, Temperaturskalen; Temperaturdifferenz, Temperaturmessgeräte (aus der Geschichte: A. Celsius) 99. Aktualisierung März 2002 425 9 Jahrgangsstufe Wärmeübertragung (ca. 4 Std.) • Wärmeleitung (in festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen) • Wärmestrahlung (Emission, Absorption) Konvektion (ca. 1 Std.) Erwärmungsgesetz, spezifische Wärmekapazität (ca. 7 Std.) • Erwärmungsgesetz; spezifische Wärmekapazität • Leistung einer Wärmequelle • Energieaustausch bei Körpern unterschiedlicher Temperatur (Wthab = Wthauf ) Energieerhaltungssatz und Wärmemaschinen (ca. 3 Std.) • allgemeiner Energieerhaltungssatz (aus der Geschichte: H. Helmholtz, P. Joule, R. Mayer) • Bau und Funktionsweise von Wärmemaschinen (Dampfturbine oder Strahltriebwerk, Otto- und Dieselmotor), Art und Ausmaß von Umweltbelastungen [UE] Ph 9.2 Elektrizitätslehre (ca. 34 Std.) Aufbauend auf dem Wissen über den Magnetismus und über die elektrische Ladung als Grundgröße lernen die Schüler den elektrischen Stromkreis als Energieübertragungssystem kennen. Sie erarbeiten die Wirkungen des elektrischen Stroms und vertiefen ihre Kenntnisse anhand verschiedener Anwendungen. Mit den abgeleiteten Größen elektrische Stromstärke und elektrische Spannung verstehen die Schüler die Grundlagen der Elektrizitätslehre. Magnetismus (ca. 5 Std.) • Magnete und magnetische Grunderscheinungen • magnetische Influenz; remanenter Magnetismus • Modellvorstellung zum Ferromagnetismus • Magnetfeld: Begriff, Struktur, Abschirmung, Überlagerung; Magnetfeld der Erde Ruhende elektrische Ladung, elektrische Ladung als Grundgröße (ca. 5 Std.) • Kraftwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern • portionsweises Aufladen und Entladen von Körpern; Gleichheit und Vielfachheit von Ladungen • Elementarladung; Einheit als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung (aus der Geschichte: Ch. Coulomb) • Neutralisation von Ladungen; neutraler Leiter • Verteilung ruhender Ladungen auf einem geladenen metallischen Körper • Ladungstrennung durch eine Elektrizitätsquelle (Verschiedenartigkeit der Pole einer Elektrizitätsquelle), Ladungstrennarbeit, Ladungserhaltung • Kontaktelektrizität Elektrisches Feld (ca. 2 Std.) • elektrische Influenz bei Metallen und Nichtmetallen • Begriff, Nachweis, Struktur Bewegte elektrische Ladung (ca. 5 Std.) • Stromkreis (Schaltsymbole, Schaltskizze; Leiter und Nichtleiter) • Elektrizitätsleitung in Metallen (Elektronenstromrichtung), Flüssigkeiten und Gasen Q • Stromstärke als abgeleitete Größe, I = — (aus der Geschichte: A. Ampère) t • Gefahren des elektrischen Stromes (der menschliche Körper als Leiter, die besondere Schaltung des Stromnetzes; Kurzschluss, Körperschluss, Erdschluss; das Schutzkontaktsystem) [GE, VSE] 99. Aktualisierung März 2002 426 9 Jahrgangsstufe Magnetfeld stromdurchflossener metallischer Leiter (ca. 2 Std.) • Magnetfeld eines geraden metallischen Leiters (aus der Geschichte: H. Ch. Oersted) • Magnetfeld einer Spule; Elektromagnet Kraftwirkung auf stromdurchflossene metallische Leiter im Magnetfeld (ca. 8 Std.) • Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen geraden metallischen Leiter im Magnetfeld • Lorentzkraft, UVW-Regel der linken Hand • Kraftwirkung auf eine stromdurchflossene Spule im Magnetfeld • Prinzip des Drehspulinstruments • Aufbau und Funktionsweise des Gleich- und Wechselstrommotors Elektrische Arbeit – elektrische Energie – elektrische Spannung – elektrische Leistung (ca. 7 Std.) • elektrische Arbeit • Zu- oder Abnahme der elektrischen Energie beim Verrichten elektrischer Arbeit • Messung der elektrischen Arbeit • der elektrische Stromkreis als System der Energieübertragung • elektrische Spannung als abgeleitete Größe • Umwandlung elektrischer Energie in andere Energieformen • elektrische Leistung als abgeleitete Größe Vorschlag für mögliche Projekte • Temperaturmessgeräte • Elektromotoren selbst gebaut • Betriebserkundung bei der Bahn AG oder einem Motorenhersteller 99. Aktualisierung März 2002 427
