Landesabitur 2007
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Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2007 Beispielaufgaben 2005 Hessisches Kultusministerium Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Handreichungen zum Lehrplan Physik Konkretisierung des hessischen Lehrplans Physik für die Jahrgangsstufen 12/I bis 13/I Grundkurs GK 12.1 Elektrisches und magnetisches Feld Thema Verbindliche UnterKonkretisierung richtsinhalte Feldlinienbilder; speziell: radialsymmetrisches Elektrisches Feld Homogenes und inhomogenes Feld, Influenz Feld einer Punktladung und homogenes Feld eines Plattenkondensators, Influenz bei Leitern und Polarisation bei Nichtleitern, elektrische Ladung und ihre Einheit als abgeleitete Größe der konstanten Stromstärke I = ∆Q / ∆t, Ladung als Erhaltungsgröße Quantisierung der LaMillikan-Versuch im Schwebefall dung Coulombkraft Coulombsches Gesetz , Superpositionsprinzip Feldstärke E = F / q, Feldstärke in homogenen Feldern und im radialsymmetrischen Feld Spannung, Stromstärke Energieumwandlung im homogenen elektrischen Feld, U = W / q, E = U/d im homogenen Feld des Plattenkondensators Gesetze des Gleichstromkreises (Widerstandsdefinition R = U/I; 1. und 2. Kirchhoffsches Gesetz) Kapazität, Feldenergie C = Q/U = konst., Herleitung von C = εrε0A/d für den Plattenkondensator, ε r als Materialkonstante (keine tiefgehende mikroskopische Betrachtung), Kenntnis der Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren, Kondensator als Energiespeicher, Wel = ½ CU² 1 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Handreichungen - Physik Magnetisches Feld Feldstärke (B), Feldener- Feldlinienbilder magnetischer Felder von gie stromdurchflossenen geraden Leitern und Spulen, B := F/(I⋅l) = konst., Bewegung von Ladungen als Ursache von Magnetfeldern, Richtungszusammenhang von Strom-, Feld und Kraftrichtung (senkrechte Fälle). Magnetfeld im Innern einer langen Spule B = µ0µrNI/l Lorentzkraft Bewegungen geladener Teilchen im Fall v0 parallel und senkrecht zum magnetischen Feld; Ladungsträger in elektrischen und magnetischen Feldern Bewegung von Ladungsträgern in den Feldern Aufbau, Wirkungsweise, Anwendung der Braun’schen Röhre, Einheit Elektronenvolt, nichtrelativistische (v < 0,1c) quantitative Betrachtung der Bewegung geladener Teilchen in elektrischen Feldern, c als Grenzgeschwindigkeit, Bewegung geladener Teilchen parallel und senkrecht zum magnetischen Feld, quantitative Betrachtungen, Überlagerung homogener elektrischer und magnetischer Felder in einfachen Fällen, Geschwindigkeitsfilter Induktionsspannung aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses, Induktionsgesetz Induktion in der Formulierung U i = − n ⋅ ∆Φ , ∆t quantitativ nur für stückweise lineare Veränderung ur von A und B und nur in den Fällen A senkrecht ur B, Lenzsche Regel und Energieerhaltung, Selbstinduktion und Induktivität L einer langen Spule, Energie des Magnetfeldes der Spule (Analogie zum elektrischen Feld des Kondensators) Wmag = ½ LI² 2 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Handreichungen - Physik GK 12.2 Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen Thema Verbindliche UnterKonkretisierung richtsinhalte Grundlage: lineare Rückstellkraft bei mechaniMechanische und Harmonische Schwingungen schen Schwingungen, elektromagnetiFadenpendel, Federpendel, elektromagnetische Schwingunscher Schwingkreis, gen charakteristische Größen (T,f,ω,A0) charakteristische Größen Schwingungsgleichung A(t) = Aosin(ωt), (Schwingungsdauer, Fre- Formeln für Schwingungsdauer, quenz, Kreisfrequenz) Energieerhaltung Erzwungene mechanische und elektromagnetiResonanzphänomene sche Schwingungen, nur qualitative Behand(Probleme und Anwenlung von Eigenfrequenz und Dämpfung dung) Mechanische und Eigenschaften, charakte- Wasserwellen, Seilwellen, Schallwellen, elektromagnetische Wellen (elektromagnetiristische Größen (Auselektromagnetisches Spektrum), breitungsgeschwindigsche Wellen c = f λ, Welle als räumlich und zeitlich periokeit, Wellenlänge, Fredischer Vorgang, quenz) t-A- und x-A-Diagramme Transversal-, Longitudinalwellen, Polarisation Stehende Welle durch Reflexion, Überlagerung von Stehende Wellen Wellenlängenbestimmung z.B. kundtsches Wellen Rohr (ohne Behandlung von Phasensprüngen) Beugung und Interferenz In einfachen Fällen Interferenzbedingungen (Doppelspalt, Gitter) herleiten können (keine Zeigerdiagramme), Interferenzen von weißem und monochromatischem Licht am Gitter (im Vakuum), Maxima- und Minimabedingungen am Doppelspalt, Maxima am Gitter Reflexion, Brechung Reflexions- und Brechungsgesetz sinα/sinβ = c1/c2 GK 13.1 Quanten- und Atomphysik Thema Verbindliche Unterrichtsinhalte Linienspektren Vorstellungen vom Licht Konkretisierung Quantenhafte Absorption und Emission empirische Balmer-Formel Resonanzabsorption Einstein‘sche Deutung und Widersprüche zur Wellentheorie, Messung der kinetischen Energie der Fotoelektronen mit der Gegenfeldmethode, Grenzfrequenz, Austrittsenergie, Planck'sches Wirkungsquantum, Energie eines Photons, Energie-Masse-Äquivalenz: E = mc2 Fotoeffekt / Einstein’sche Deutung 3 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Quantenobjekte Handreichungen - Physik Quanteneffekte Photonen als Quantenobjekte, Impuls eines Photons Welleneigenschaften von Elektronen, de-Broglie-Wellen, de-Broglie-Gleichung, Photonen- Elektronenverteilung hinter dem Doppelspalt Das Atommodell der Quantenphysik am Beispiel des linearen Potentialtopfs mit unendlich hohen Wänden Berechnung der Energiezustände im Bohrschen Atommodell stochastische Deutung Erarbeitung einer quantenmechanischen Atomvorstellung Überblick über die klassischen Atommodelle Grenzen dieser Modelle Leistungskurs Lk 12.1 Elektrische und magnetische Felder Thema Verbindliche UnterKonkretisierung richtsinhalte Feldlinienbilder; speziell: radialsymmetrisches Elektrisches Feld Homogenes und inhoFeld einer Punktladung und homogenes Feld mogenes Feld, eines Plattenkondensators, Influenz Influenz bei Leitern und Polarisation bei Nichtleitern, Elektrische Ladung und ihre Einheit als abgedQ leitete Größe der Stromstärke I = Q& = dt bzw. Q = ∫ Idt , Quantisierung der Ladung Coulombkraft Ladung als Erhaltungsgröße. Millikan-Versuch im Schwebefall Das Coulomb’sche Gesetz F = 1 4πε 0 ⋅ Q1Q2 , r2 Superpositionsprinzip r r F E= , q Feldstärke Potenzial, Spannung, Stromstärke Feldstärke in homogenen Feldern und im radialsymmetrischen Feld Entwicklung des Potenzialbegriffes: W V01 = 01 , q potenzielle Energie im elektrischen Feld, Äquipotenziallinien, U := ∆V , ur r U U = E ⋅ s bzw. E = im homogenen Feld d 4 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Handreichungen - Physik Kapazität, Feldenergie Magnetisches Feld Feldstärke (B), Feldenergie Lorentzkraft des Plattenkondensators, Potenzial im Radialfeld, Gesetze des Gleichstromkreises (Widerstandsdefinition R = U/I; 1. und 2. Kirchhoff’sches Gesetz) C = Q/U = konst., Herleitung von C = ε0A/d für den luftgefüllten Plattenkondensator, Kapazität des Kugelkondensators, die Naturkonstante ε0 als Proportionalitätskonstante von Q/A und E oder von CP und A/d, Kenntnis der Parallel- und Reihenschaltung von Kondensatoren, Materie im elektrischen Feld, Dielektrikum, Dielektrizitätszahl εr = Cr/ C0, Kondensator als Energiespeicher, Wel = ½ CU², Energieinhalt des elektrischen Feldes: 1 Wel = V ε r ε 0 E 2 . 2 Betrachtung des Auf- und Entladevorgangs beim Kondensator auch mit Differenzialgleichungen, Lösung mithilfe eines Lösungsansatzes. Feldlinienbilder magnetischer Felder von stromdurchflossenen geraden Leitern und Spulen, B = F/(I⋅l) = konst., Bewegung von Ladungen als Ursache von Magnetfeldern, Richtungszusammenhang von Strom-, Feld und Kraftrichtung (alle Fälle), Materie im magnetischen Feld, Permeabilitätszahl µr = Br/ B0, Magnetfeld im Innern einer langen Spule B = µ0µrNI/l, Magnetfeld eines langen geraden Leiters B = µ0µrI/(2πr) Quantitative Betrachtung der Bewegung geladener Teilchen in allen Richtungen zum magnetischen Feld 5 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Ladungsträger in elektrischen und magnetischen Feldern Handreichungen - Physik Bewegung von Ladungsträgern in den Feldern (Hall-Effekt, e/me-Bestimmung) Induktion, Selbstinduktion Aufbau, Wirkungsweise, Anwendung der Braunschen Röhre, Einheit Elektronenvolt, nichtrelativistische (v < 0,1c) quantitative Betrachtung der Bewegung geladener Teilchen in elektrischen Feldern, c als Grenzgeschwindigkeit, relativistische Massenzunahme, Hall-Effekt, UH = b⋅vD⋅B (B Streifenbreite, vD Driftgeschwindigkeit) und in der atomisti1 IB schen Darstellung U H = ⋅ (n Ladungsne d träger-konzentration, d Streifendicke), Bestimmung von e/me mit dem Fadenstrahlrohr, Überlagerung homogener elektrischer und magnetischer Felder in einfachen Fällen, Geschwindigkeitsfilter Induktionsspannung aufgrund einer zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses, Induktionsgesetz in der Formulierung & Quantitative Betrachtung von U i = −n ⋅ Φ A& ≠ 0 und B& = 0 bzw. A& = 0 und B& ≠ 0 , auch in nichtlinearen Fällen. Lenz’sche Regel und Energieerhaltung, elektrische Wirbelfelder und Ringströme, Wirbelstrombremse, Selbstinduktion und Induktivität L einer langen Spule, Betrachtung des Ein- bzw. Ausschaltvorganges in einem Stromkreis mit Spule auch mit Differenzialgleichungen, Lösung mithilfe eines Lösungsansatzes, Energie des Magnetfeldes der Spule (Analogie zum elektrischen Feld des Kondensators), Wmag = ½ LI², Energieinhalt des magnetischen 1 1 Feldes: Wmagn = V B2 . 2 µr µ0 6 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Handreichungen - Physik LK 12.2 Mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen Thema Verbindliche UnterKonkretisierung richtsinhalte Harmonische SchwinGrundlage: lineare Rückstellkraft bei meMechanische und chanischen Schwingungen, elektromagnetische gungen Fadenpendel, Federpendel, U-Rohr Schwingungen Charakteristische GröCharakteristische Größen (T, f, ω, A0) ßen (Schwingungsdau- Schwingungsgleichung A(t) = A0sin(ωt) Formeln für Schwingungsdauer, er, Frequenz, KreisfreEnergieerhaltung quenz) Elektromagnetischer Analogien zwischen mechanischen und eSchwingkreis lektromagnetischen Schwingungen, Phasendifferenz zwischen U und I Eindimensionale Differenzialgleichungen für ungedämpfte Schwingungsgleichung mechanische und elektromagnetische Schwingungen, Lösen der zugeordneten Differenzialgleichungen mittels Lösungsansatzes, Dämpfungsverhalten der Form e-ktsin(ωt), (ohne Herleitung; ω ≈ ω0) Erzwungene SchwinErzwungene Schwingungen: mechanisch gungen und Resonanz- und im phänomene (Probleme L-C-Kreis, und Anwendungen) Resonanzkurven und Phasenverschiebungen für verschiedene Dämpfungen Erzeugung, Wasserwellen, Seilwellen, Schallwellen Mechanische und elektromagnetische harmonische Transver- elektromagnetische Wellen salwellen, c = f λ, Wellen eindimensionale WelWelle als räumlich und zeitlich periodischer lengleichung Vorgang, t-A- und x-A-Diagramme, eindimensionale Wellengleichung A( x, t ) = A0 sin( 2π ( Tt − λx )) zur Beschreibung der Wellenausbreitung, c= Überlagerung von Wellen Polarisation, Kohärenz Stehende Wellen 1 ε 0 µ0 Transversal-, Longitudinalwellen Stehende Welle durch Reflexion, Wellenlängenbestimmung (z.B. kundtsches Rohr), festes und loses Ende, Phasensprünge (phänomenologisch), Hertzdipol (Zusammenhang von λ und Dipollänge, Beispiel für eine Antenne) Reflexions- und Brechungsgesetz als Anwendungen des Huygens’schen Prinzips sinα/sinβ = c1/c2, Akustischer Dopplereffekt Huygens’sches Prinzip, Reflexion, Brechung 7 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Handreichungen - Physik Beugung und Interferenz (Einfachspalt, Doppelspalt, Gitter), Spektren LK 13.1 Quanten- und Atomphysik Thema Verbindliche Unterrichtsinhalte Anregung von Atomen Quanteneffekte (Linienspektren, Resonanzabsorption) Fotoeffekt / Einstein’sche Deutung Stochastische Deutung von Quantenobjekten Interferenzbedingungen an Spalt, Doppelspalt und Gitter (auch Reflexionsgitter) herleiten können, Interferenzen von weißem und monochromatischem Licht am Gitter, Maxima- und Minimabedingungen am Doppelspalt, Maxima am Gitter (auch in Materie), Auflösungsvermögen (Auge oder Fernrohr), Interferenz durch Reflexion von Röntgenstrahlung an Kristallstrukturen (Bragg-Reflexion) Spektroskopie Elektromagnetisches Spektrum Konkretisierung Quantenhafte Absorption und Emission, empirische Balmer-Formel Einstein‘sche Deutung und Widersprüche zur Wellentheorie, Messung der kinetischen Energie der Fotoelektronen mit der Gegenfeldmethode, Grenzfrequenz, Austrittsenergie, Planck'sches Wirkungsquantum, Energie, Masse und Impuls eines Photons, charakteristische und kontinuierliche Röntgenspektren, kurzwellige Grenze des kontinuierlichen Röntgenspektrums, Bragg-Reflexion Comptoneffekt Comptonwellenlänge (Formel ohne Herleitung) De-Broglie-Beziehung, De-Broglie-Wellenlänge, Beugung von Elektronen Elektronenbeugung an Kristallen Reflexion und Brechung Doppelspaltversuch mit Verteilung der Photonen und Elektronen hinter Elektronen und Photonen dem Doppelspalt insbesondere bei geringer Intensität Quadrat der elektrischen Feldstärke als Maß für die Wahrscheinlichkeitsdichte der Photonen, analoge Bedeutung der de-Broglie-Welle für Elektronen. Unschärferelation Orts-Impuls-Unschärfe, Energie-Zeit-Unschärfe, Verbreiterung von Spektrallinien 8 Landesabitur 2007 Beispielaufgaben Handreichungen - Physik Erarbeitung einer quantenmechanischen Atomvorstellung Überblick über die klassischen Atommodelle Grenzen dieser Modelle Das Atommodell der Quantenphysik am Beispiel des linearen Potentialtopfs mit unendlich hohen Wänden, Termschema eines einfachen Lasers, metastabile Niveaus, Inversion, stimulierte Emission Berechnung der Energiezustände mit dem Bohr’schen Atommodell, Moseley-Formel Bohr’sches Modell und Heisenberg’sches Unschärfeprinzip Philosophische Fragestellungen 9
