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Physik • Vorbereitungsklasse
1
Physik
Allgemeine Hinweise
Ausgehend von der eigenen Erfahrungswelt werden die Schülerinnen und Schüler in die konkrete
naturwissenschaftliche Arbeitsweise der Physik eingeführt und mit dem verstärkten Gebrauch der
Fachsprache vertraut gemacht. Sowohl in der Wärme- als auch in der Elektrizitätslehre wird das
einfache Teilchenmodell aus der Mittelschule erweitert, um die Phänomene erklären zu können. Der
Energiebegriff wird ausgeweitet und der Energieerhaltungssatz in allgemeiner Form als
Erfahrungstatsache postuliert. Ausgehend von bereits bekannten Erscheinungen beim Magnetismus
und der Einführung der elektrischen Ladung als Grundgröße lernen die Schülerinnen und Schüler
den Feldbegriff als neues Modell kennen und erhalten fundierte, in unserer technisierten Welt
notwendige Kenntnisse über die Zusammenhänge in der Elektrizitätslehre.
Experimente werden im Unterricht außer als Demonstrationsversuche auch bei Schülerübungen, in
Lernzirkeln und auch als Hausaufgaben durchgeführt. Im Laufe des Unterrichts nimmt die Sicherheit
der Schülerinnen und Schüler beim Experimentieren stetig zu und sie vertiefen die experimentelle
Methode zur physikalischen Erkenntnisgewinnung. Durch die Eigentätigkeit wird das Interesse für
das Fach Physik gesteigert, zudem werden handwerkliches Geschick, Selbstständigkeit und die
Fähigkeit zur Teamarbeit gefördert. Das im Fachprofil dargestellte Grundwissen wird der
Jahrgangsstufe entsprechend angebahnt, geübt und gefestigt.
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Die mit einem Stern () versehenen Lerninhalte können bei Interesse und Zeit zusätzlich behandelt
werden. Sie sind nicht in den zeitlichen Vorschlag, ausgehend von 28 Unterrichtswochen im
Schuljahr, eingearbeitet.
Grundwissen und Kernkompetenzen
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Messergebnisse sinnvoll angeben
wissen, wie eine physikalische Grundgröße festgelegt wird
die Gravitation als fundamentale Wechselwirkung zwischen Körpern kennen
die Grundgrößen Kraft und Masse und deren Einheiten
wissen, wie abgeleitete Größen eingeführt werden
die abgeleiteten Größen Arbeit, Leistung, Energie, Wirkungsgrad, Druck und deren Einheiten
Produkt und Quotient von Größen sinnvoll angeben
das Teilchenmodell auf thermische Prozesse anwenden
wissen, dass Arbeit und Wärme die beiden Möglichkeiten sind, Energie von einem System auf ein
anderes zu übertragen
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
9.1
Grundlegende Prinzipien der Physik – Mechanik
Lernziele
Durch Längenmessung mit Messgeräten unterschiedlicher Messgenauigkeit erfahren die
Schülerinnen und Schüler, dass Messen eine notwendige Voraussetzung zur Gewinnung
physikalischer Aussagen ist, dass Messergebnisse mit unvermeidlichen Messfehlern behaftet sind
und dass die Berücksichtigung dieser Fehler die physikalisch sinnvolle Angabe von
Messergebnissen beeinflusst. Dabei wird ihnen die physikalisch sinnvolle Angabe gültiger Ziffern
von zusammengesetzten Größen bewusst.
Die Schülerinnen und Schüler lernen die Grundgröße Kraft kennen und verfügen damit über
grundlegende Kenntnisse der Mechanik. Darauf aufbauend lernen sie wesentliche abgeleitete
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Größen der Mechanik kennen. Das Verständnis des Prinzips der Kraftwandlung schafft die
Voraussetzung für die Größen Arbeit, Energie und Leistung, die nun vertieft behandelt werden.
Lerninhalte
9.1.1 Gemessene Größen und Fehlerbetrachtung (ca. 3 Std.)
• physikalische Größe als messbare Eigenschaft eines Körpers: Länge; physikalische Größe als
Produkt aus Maßzahl und Einheit
• Längenmessgeräte
• Messfehler; Angabe eines Messergebnisses in der Form
9.1.2 Kraft (ca. 8 Std.)
̅
; gültige Ziffern
• Wirkungen einer Kraft: statischer und dynamischer Aspekt; Arten von Kräften; Vergleich von
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Kräften über ihre Wirkungen; Gleichheit von Kräften
Bestimmungsstücke einer Kraft (Angriffspunkt, Richtung, Betrag)
Gravitation; Schwere; Gewichtskraft als Folge der Gravitation zwischen Erde/Himmelskörper und
Körper (aus der Geschichte: I. Newton)
Ortsabhängigkeit der Gewichtskraft
Vielfachheit für Kräfte (Additivität: Zwei gleiche Kräfte ergeben zusammen die doppelte Kraft;
oder: Zwei Körper, die am gleichen Ort die gleiche Gewichtskraft erfahren, ergeben zusammen
einen Körper, auf den an diesem Ort die doppelte Gewichtskraft wirkt.)
Einheit der Kraft, festgelegt über die Gewichtskraft eines bestimmten Körpers an einem
bestimmten Ort: 1 N
Messgerät zur Messung von Kräften
Gleichgewicht von Kräften (Kompensationskräfte, die an einem Körper angreifen)
9.1.3 Kraft, Arbeit, Energie, Leistung (ca. 8 Std.)
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Kennzeichen und Arten von Kraftwandlern (exemplarisch)
Definition von Arbeit als abgeleitete Größe
Arten: Hubarbeit, Beschleunigungsarbeit, Verformungsarbeit, Reibungsarbeit
Energie; Arbeit als Möglichkeit, Energie von einem Körper auf einen anderen zu übertragen bzw.
die Energie eines Körpers zu ändern
• Arbeit als Übertragungsgröße, Energie als Speichergröße; potenzielle, kinetische und innere
Energie
• Energieumwandlung und Energieerhaltung; Wirkungsgrad als Gütekriterium bei
Energieumwandlungen; Energieerhaltungssatz und Hinweis auf die mit Energieumwandlungen
verbundene Energieentwertung
• Leistung (Energiestrom) als abgeleitete Größe
9.2
Wärmelehre
Lernziele
Die Schülerinnen und 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 Schülerinnen und
Schüler befähigt, thermische Phänomene sowie Beispiele aus der Natur und technische
Anwendungen in adäquater Weise zu beschreiben.
Lerninhalte
9.2.1 Innere Energie; Wärme; Temperatur (ca. 5 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 (W th) als Übertragungsgröße
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• Temperatur als Maß für die mittlere Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers;
Temperaturänderung (Änderung der mittleren kinetischen Energie der Teilchen)
• Volumenänderung von Körpern bei Erwärmung und Abkühlung (Änderung der mittleren
potenziellen und kinetischen Energie der Teilchen)
9.2.2 Erwärmungsgesetz, spezifische Wärmekapazität (ca. 3 Std.)
• Erwärmungsgesetz; spezifische Wärmekapazität
• Energieaustausch bei Körpern unterschiedlicher Temperatur (
)
 Leistung einer Wärmequelle
9.2.3  Energieerhaltungssatz und Wärmemaschinen (ca. 3 Std.)
 allgemeiner Energieerhaltungssatz
 Bau und Funktionsweise von Wärmemaschinen (Dampfturbine oder Strahltriebwerk, Otto- und
Dieselmotor), Art und Ausmaß von Umweltbelastungen
9.3
Elektrizitätslehre
Lernziele
Aufbauend auf dem schon vorhandenen Wissen über den Magnetismus und über die elektrische
Ladung als Grundgröße erweitern die Schülerinnen und Schüler ihre Kenntnisse über den
elektrischen Stromkreis als Energieübertragungssystem. 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.
Lerninhalte
9.3.1 Magnetismus (ca. 3 Std.)
 Wiederholung: Magnete und magnetische Grunderscheinungen
• magnetische Influenz; remanenter Magnetismus
• Modellvorstellung zum Ferromagnetismus
• Magnetfeld: Begriff, Struktur, Abschirmung, Überlagerung; Magnetfeld der Erde
9.3.2 Ruhende elektrische Ladung, elektrische Ladung als Grundgröße (ca. 5 Std.)
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Kraftwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern
portionsweises Aufladen und Entladen von Körpern; Gleichheit und Vielfachheit von Ladungen
Elementarladung; Einheit als ganzzahliges Vielfaches der Elementarladung
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
9.3.3 Elektrisches Feld (ca. 2 Std.)
• elektrische Influenz bei Metallen und Nichtmetallen
• Begriff, Nachweis, Struktur
9.3.4 Bewegte elektrische Ladung (ca. 4 Std.)
 Wiederholung: Stromkreis (Schaltsymbole, Schaltskizze; Leiter und Nichtleiter)
• Elektrizitätsleitung in Metallen (Elektronenstromrichtung), Flüssigkeiten und Gasen
• Stromstärke als abgeleitete Größe, I = Q/t
• Gefahren des elektrischen Stromes (der menschliche Körper als Leiter, die besondere Schaltung
des Stromnetzes; Kurzschluss, Körperschluss, Erdschluss; das Schutzkontaktsystem)
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9.3.5 Magnetfeld und Kraftwirkung bei stromdurchflossenen metallischen Leitern (ca. 8 Std.)
 Wiederholung: Magnetfeld eines geraden metallischen Leiters
• Magnetfeld einer Spule; Elektromagnet
• 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
9.3.6 Elektrische Arbeit – elektrische Energie – elektrische Spannung – elektrische Leistung
(ca. 7 Std.)
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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