bos_physik_technik_vorklasse
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Vorstufe der Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik PHYSIK Fachprofil: Die Schülerinnen und Schüler haben aufgrund ihrer Vorbildung unterschiedlich ausgeprägte physikalische Kenntnisse und Fertigkeiten. Ziel des Physikunterrichts der Vorstufe ist es, sie auf die Anforderungen der 12. Jahrgangsstufe im Fach Physik an der BOS vorzubereiten. Anhand einfacher, überschaubarer Experimente aus Mechanik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre und Optik werden die für das Verständnis der Oberstufenphysik notwendigen physikalischen Grundlagen aufgefrischt und ergänzt und gleichzeitig die Methoden physikalischen Arbeitens eingeübt. Die bekannte qualitative Darstellung von Vorgängen wird durch eine quantitative Beschreibung vertieft, wobei zunehmend auf die in der Mathematik erarbeiteten Kenntnisse zurückgegriffen wird. Wo immer möglich sollen sich die Schülerinnen und Schüler im Unterricht aktiv an den Experimenten beteiligen und dabei den sachgerechten und sicherheitsbewussten Umgang mit den Versuchsapparaturen lernen. Es sollte ihnen klar sein, dass es bei Experimenten auf eine präzise Durchführung und exakte Dokumentation ankommt, wenn der Anspruch von Wissenschaftlichkeit erfüllt werden soll. Das Interesse an der Physik wird gefördert, wenn die Schülerinnen und Schüler erkennen, welche Bedeutung die Erkenntnisse der Physik im Bereich der Technik erlangt haben. Anwendungsbeispiele aus der Erfahrungswelt motivieren die Schülerinnen und Schüler und fördern das Bewusstsein für die Bedeutung des Faches Physik. Lerngebiete: V.1 V.2 V.3 V.4 V.5 V.6 Kraft und Masse Arbeit, Energie und Leistung Druck und Auftrieb Wärmelehre Optik Gleichstromkreis 26 Std. 16 Std. 16 Std. 26 Std. 26 Std. 42 Std. 152 Std. Berufsoberschule Physik Ausbildungsrichtung Technik Vorstufe LERNZIELE V.1 LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT Kraft und Masse V.1.1 Die Schülerinnen und Schüler erkennen eine Kraft als Ursache einer Verformung oder einer Geschwindigkeitsänderung. Sie verstehen den Zusammenhang zwischen Gewichtskraft und Masse. Mit Hilfe eines Experiments und seiner Auswertung gewinnen sie den quantitativen Zusammenhang zwischen Kraft und Dehnung an einem elastischen Körper. Wirkungen der Kraft: - Verformung - Änderung des Bewegungszustandes Hookesches Gesetz - F(s)-Diagramm -F~s - F = D×s - Gültigkeitsbereich Die zentrale Bedeutung des physikalischen Experiments und seine Auswertung können hier zum ersten Mal demonstriert werden. Unterschiede von “je-desto” und “proportional” herausarbeiten Kraftmesser - Krafteinheit 1N Gewichtskraft und Masse - Ortsfaktor g Dichte Hier wird für g die Einheit N verwendet kg Ermittlung der Dichte von Probekörpern durch Messung von Masse und Volumen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT V.1.2 Die Schülerinnen und Schüler können Kräfte zusammenfassen und zerlegen. Das Verständnis des Hebelgesetzes befähigt sie, einfache Werkzeuge und Maschinen zu erklären und entsprechende Berechnungen durchzuführen. Kraft als Vektor - Betrag - Richtung - Angriffspunkt Zeichnerische Addition und Zerlegung von Kräften - Gleichgewicht von Kräften Beispiele: geneigte Ebene, Straßenlaterne an Seilen, Kragarm Statische Gleichgewichtsbedingung am Hebel - Drehmoment M = F× l - Einarmiger und zweiarmiger Hebel Hebelgesetz induktiv erarbeiten Kräftezerlegung anwenden, wenn die Kraft nicht senkrecht am Hebel angreift Als Beispiele eignen sich: Balkenwaage, Schubkarre, Wellrad mit Kurbel beim Fahrradantrieb, Beißzange, Nussknacker, Flaschenöffner Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT V.1.3 Ausgehend von den Erfahrungen des täglichen Lebens verstehen die Schülerinnen und Schüler, dass an den Berührungsflächen zweier Körper Reibungskräfte auftreten. Sie lernen die verschiedenen Reibungsarten kennen und können Reibungskräfte berechnen. r Normalkraft F N r Reibungskraft FR FR ~ FN Reibungszahl μ FR = μ×FN Reibungsarten: - Haftreibung - Gleitreibung - Rollreibung Experimente mit dem Reibungsklotz durchführen Beispiele für erwünschte und unerwünschte Reibung aufzeigen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE V.2 Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT Arbeit, Energie und Leistung Anhand verschiedener Beispiele aus der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler wird der umgangssprachliche Begriff “Arbeit” zu einer physikalischen Größe präzisiert und auf einfache mechanische Vorgänge übertragen. Die Schülerinnen und Schüler begreifen die Energie als Arbeitsvermögen eines Körpers und sind in der Lage, diese Energie bei einfachen Systemen zu ermitteln. Sie sind mit dem physikalischen Begriff der Leistung vertraut und können die Effizienz eines Energiewandlungssystems mit Hilfe des Wirkungsgrades quantitativ beschreiben. Arbeit W = FS×s - Hubarbeit - Reibungsarbeit Grafische Darstellung der Arbeit im F(s)-Diagramm Beispiele aus Alltag und Technik aufgreifen Abgrenzung des physikalischen gegen den umgangssprachlichen Begriff “Arbeit” Voraussetzungen dieser Definition besprechen: - Weg geradlinig - Kraft konstant FS ist der Betrag der Kraft in Richtung von s. Im Gegensatz zur Einheit Nm des Drehmoments sollten Arbeit und Energie bevorzugt in Joule angegeben werden. Energie E als Arbeitsvermögen Lageenergie Goldene Regel der Mechanik - geneigte Ebene - einfacher Flaschenzug Mechanische Leistung P = Wirkungsgrad η = E ab E zu W t Bestimmung der Energie durch die Arbeit, die ein Körper verrichten kann Herausstellen, dass die Lageenergie vom Nullniveau abhängt Darauf hinweisen, dass die goldene Regel nur in reibungsfreien Systemen gilt Wirkungsgrade verschiedener Maschinen und Geräte vergleichen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik Physik Vorstufe LERNZIELE V.3 LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT Druck und Auftrieb Die Schülerinnen und Schüler kennen die Definition des Drucks und verstehen seine Anwendung bei der hydraulischen Presse. Sie können den hydrostatischen Druck herleiten und mit ihm das archimedische Gesetz erklären sowie die Auftriebskraft berechnen. Sie verstehen den Zusammenhang von Druck und Volumen bei einem Gas mit konstanter Temperatur. Druck p = - F A 1 bar = 105 Pa Hydraulische Presse Hydrostatischer Druck p = r × g × h Unabhängigkeit des Druckes von der Gefäßform Luftdruck Beschränkung auf Beispiele, bei denen die Kraft senkrecht zur Fläche wirkt Unterschiedliche Druckmessgeräte demonstrieren Auf weitere Anwendungen, z. B. Hebebühne oder hydraulische Bremse hinweisen Darauf hinweisen, dass die Formel nur bei homogenen Flüssigkeiten gilt Versuche mit verbundenen Gefäßen durchführen Als Anwendungsbeispiele eignen sich: Geruchsverschluss, Füllstandsanzeiger, Schlauchwaage. Keine Berechnungen zum Luftdruck Den Einfluss des Luftdrucks auf das Wettergeschehen ansprechen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE r Auftriebskraft F A in Flüssigkeiten FA = g × ρFl × VT Bedingungen für - Schwimmen - Schweben - Sinken V.4 HINWEISE ZUM UNTERRICHT r Herleitung der Auftriebskraft F A als Wirkung eines Druckunterschiedes Berechnung der Eintauchtiefe Gesetz von Boyle-Mariotte Darauf hinweisen, dass der Druck langsam verändert werden muss, um die Temperatur konstant zu halten Temperatur als Wärmezustand eines Körpers Deutung der Wärme als Teilchenbewegung Aufbau, Wirkungsweise und Messbereich von Thermometern Celsiusskala Die Notwendigkeit einer objektiven Temperaturmessung aufzeigen Brownsche Bewegung demonstrieren Längenänderung Dl = a × l 0 × DJ Volumenänderung DV = g × V0 × DJ Zusammenhang zwischen Längenund Volumenausdehnungskoeffizient: g = 3α Beispiele aus der Technik aufzeigen: Dehnungsfugen, Dehnungsausgleich von Fahrdrähten, Ausdehnungsgefäße Wärmelehre V.4.1 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Notwendigkeit einer objektiven Temperaturmessung und verstehen die Wirkungsweise von Thermometern. Sie kennen die Temperaturabhängigkeit von Volumen und Druck bei einem Gas und können diese Abhängigkeit mit dem Gesetz von Boyle-Mariotte zur Zustandsgleichung des idealen Gases zusammenfassen. Auf die Gefährdung der Umwelt durch Quecksilber hinweisen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT Anomalie des Wassers Volumenänderung von Gasen bei konstantem Druck DV = g × V0 × DJ mit g = 1 0 273 C Druckänderung von Gasen bei konstantem Volumen Dp = g × p0 × DJ mit γ = 1 0 273 C Absolute Temperatur, Kelvinskala Zustandsgleichung des idealen Gases p× V = const . T V.4.2 Ausgehend von einem Experiment verstehen die Schülerinnen und Schüler, dass Wärme eine Energieform ist. Sie erkennen, dass die Änderung des Aggregatszustandes mit Energieumwandlung verknüpft ist. Sie können Energiebilanzen aufstellen und damit Mischungsaufgaben lösen. Wärme als Energieform Wärmemenge Q - Spezifische Wärmekapazität c - DQ = c × m × DJ Schmelzen, Erstarren, spezifische Schmelzwärme Verdampfen, Kondensieren, spezifische Verdampfungswärme Mischungsregel: Qab = Qzu Mischungsaufgaben unter Einbeziehung von Aufzeigen, dass die Zufuhr mechanischer Energie zu einer Temperaturerhöhung führt (eignet sich auch als Schülerversuch) Auf die Möglichkeit der Umwandlung von Wärme in andere Energieformen hinweisen Vorgänge mit dem Teilchenmodell deuten Temperatur in einem J(t) -Diagramm darstellen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT Aggregatszustandsänderungen V.5 Optik V.5.1 Anhand einfacher Versuche entdecken die Schülerinnen und Schüler eine Vielzahl von wichtigen Eigenschaften des Lichts und seiner Ausbreitung. Mit Hilfe des Strahlenmodells lernen sie, den beobachteten Weg des Lichts zu erklären und die Ergebnisse optischer Experimente vorherzusagen. Lichtquellen; Lichtbündel und Lichtstrahlen Lichtgeschwindigkeit Geradlinige Ausbreitung des Lichts Optische Abbildung bei einer Lochkamera erklären und demonstrieren Umkehrbarkeit des Lichtweges Schattenbildung: Kern- und Halbschatten Reflexionsgesetz virtuelles Bild am ebenen Spiegel Funktionsprinzip des Parabolspiegels Brechung von Lichtstrahlen Brechungsgesetz Totalreflexion Mond- und Sonnenfinsternis erläutern Beispiele aus der Technik aufzeigen: Scheinwerfer, Brennspiegel Auf die Analogie zur Satellitenantenne kann hingewiesen werden Als Anwendung den Lichtgang durch Prisma und planparallele Platte aufzeigen Die Bedeutung der Totalreflexion in der Lichtleitertechnik herausstellen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE V.5.2 Die Schülerinnen und Schüler lernen das Prinzip der optischen Abbildung kennen. Sie sind in der Lage, Konstruktionen und Berechnungen zur Abbildung durch Linsen durchzuführen. Physik Vorstufe LERNINHALTE Optische Eigenschaften von Sammellinsen und Zerstreuungslinsen - Strahlengang - Brennpunkt - Brennweite Die Brennweitenbestimmung kann als Schülerversuch durchgeführt werden. Reelle und virtuelle Bilder bei Sammellinsen - Konstruktion - Abbildungsgleichungen Auf dünne Linsen und achsennahe Strahlen beschränken Auge - Bildentstehung im Auge - Kurz- und Weitsichtigkeit, Korrektur V.5.3 Am Experiment erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass Licht in Spektralfarben zerlegt werden kann. Sie erhalten einen Einblick in die Bedeutung der Farbmischung bei der Entstehung farbiger HINWEISE ZUM UNTERRICHT Die Abbildungsgleichungen mit Hilfe der aus der Mathematik bekannten Strahlensätze herleiten Funktionsweise eines optischen Instruments Es genügt, den Strahlengang z. B. bei Mikroskop, Fernrohr oder Fotoapparat aufzuzeigen. Zerlegung von Licht in seine Spektralfarben durch ein Prisma Auf Regenbogenfarben hinweisen Farbmischung - additive und subtraktive Farbmischung - Komplementärfarbe Als Beispiel kann die Entstehung der Farben bei Fernsehgerät und Farbdruck herangezogen werden. Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Bilder. Physik Vorstufe LERNINHALTE - Körperfarben HINWEISE ZUM UNTERRICHT Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE V.6 Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT Gleichstromkreis V.6.1 Anhand von einfachen Experimenten erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass es zwei verschiedene Arten der elektrischen Ladung gibt. Sie kennen den Wert der kleinsten nicht mehr teilbaren Ladung und verstehen die Definition der elektrischen Stromstärke. Die Schülerinnen und Schüler lernen ausgewählte Möglichkeiten der Spannungserzeugung kennen und können mit Hilfe von vereinbarten Schaltzeichen einfache elektrische Stromkreise darstellen. Sie erkennen die Gefahren des elektrischen Stromes und sind bereit, entsprechend verantwortungsbewusst zu handeln. Ladung Q - Ladungstrennung - Kraftwirkung - Elektroskop Elementarladung e, Atomaufbau Stromstärke I = DQ Dt Spannung Spannungserzeugung elektrischer Stromkreis - Schaltzeichen Spannungsquelle Schalter Lampe Strommesser Spannungsmesser Trennung von Ladungen und ihre Kraftwirkungen demonstrieren Die Polarität der Ladung kann mit Hilfe einer Glimmlampe festgestellt werden. Die Elementarladung mitteilen Atomaufbau auf positiven Kern und negative Hüllenelektronen beschränken Die portionsweise Übertragung von Ladungen z. B. mit Watteflocken oder elektrischem Löffel demonstrieren Stromstärke als Basisgröße, Ampere als Basiseinheit einführen Die Spannung zunächst wie eine Basisgröße einführen Überblick über verschiedene Möglichkeiten, Spannung zu erzeugen, z. B. Batterie, Fotozelle, Thermoelement, Dynamo Auf die umweltschonende Entsorgung von Batterien hinweisen Die Analogien zum Wasserkreislauf aufzeigen Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT - Stromrichtung als Bewegungsrichtung positiver Ladungen - Gefahren des elektrischen Stromes, Schutzmaßnahmen Unterscheidung von Stromrichtung und Elektronenbewegungsrichtung Exemplarisch an einem Beispiel erklären; als Beispiele eignen sich: Schutzleitersystem, Fehlerstromschutzschalter, Schutzisolierung V.6.2 Die Schülerinnen und Schüler kennen die Definition des elektrischen Widerstandes und verstehen das ohmsche Gesetz. Sie können den ohmschen Widerstand in Abhängigkeit von Leiterabmessungen und spezifischem elektrischem Widerstand bestimmen. Aufbauend auf den Gesetzmäßigkeiten der Reihenund Parallelschaltung können sie einfache gemischte Schaltungen analysieren und die notwendigen Berechnungen durchführen. Nichtleiter, Leiter Elektrischer Widerstand R = U I Ohmsches Gesetz - I(U)-Kennlinien für verschiedene Leitermaterialien Leitungswiderstand - spezifischer Widerstand l - R = r× A Erweiterter elektrischer Stromkreis Reihenschaltung Parallelschaltung Gemischte Schaltungen Unterschied zwischen dem ohmschen Gesetz und der Widerstandsdefinition herausstellen Z. B. I(U)-Kennlinie einer Glühlampe aufnehmen; Temperaturabhängigkeit nur qualitativ behandeln Spezifische Widerstände experimentell bestimmen Die experimentelle Überprüfung der Gesetzmäßigkeiten kann z. B. als Schülerversuch in Gruppenarbeit durchgeführt werden. Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik LERNZIELE Physik Vorstufe LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT - Spannungen - Widerstände - Ströme Anwendungsbeispiele: - Spannungsquelle mit Innenwiderstand - Spannungsabfall an Leitungen - Messbereichserweiterung bei Stromund Spannungsmessgerät - belastetes Potentiometer V.6.3 Die Schülerinnen und Schüler lernen die Gesetzmäßigkeiten zur Berechnung der elektrischen Arbeit und der elektrischen Leistung kennen. Sie können Berechnungen zur Energieumwandlung durchführen. Ihnen wird bewusst, dass bei jeder Energieumwandlung der Wirkungsgrad des Wandlers eine wichtige Rolle spielt. Elektrische Arbeit W W = Q × U = I × Dt × U Experimente zur Arbeits- und Leistungsbestimmung durchführen Elektrische Leistung P P= 2 DW = U×I = U = I 2 ×R Dt R Energieumwandlungen - Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und Wärme -Berechnung des Wirkungsgrades Die Schülerinnen und Schüler zum umweltbewussten Umgang mit Energie anleiten
