AB Physik Draft

Ausbildungsbild: Physik
Allgemeine Ziele:
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−
Selbständig eine gegebene physikalische Situation analysieren.
Selbständig physikalische Probleme lösen.
Meßdaten auswerten und interpretieren.
Statistik und Fehlerrechnung beherrschen.
Mathematische Verfahren anwenden.
Ausbildungsziele:
Mechanik1
Bemerkungen:
•
Bewegungslehre (Kinematik)
Bestehender Rahmenlehrplan (RLP). Die Bewegungslehre gehört zu den Grundlagen der Physik.
•
Bezugssysteme
Bestehender RLP. Wichtiges Konzept zur Untersuchung und Beschreibung von Bewegungen:
Einführung in der Mittelstufe; weiterführende Anwendungen im Fach Mechanik.
•
Festigkeitslehre
Es sollten nur die Grundkonzepte der Festigkeitslehre im Fach Physik eingeführt werden, u.a. das
Hookesche Gesetz. Weiterführende Konzepte sollten im Fach Mechanik behandelt werden.
•
Schwerpunkt
Wichtiges Konzept: Einführung in der Mittelstufe; weiterführende Anwendungen und Eigenschaften
im Fach Mechanik.
•
Gravitation
Bestehender RLP. Beschreibt eine der 4 fundamentalen Wechselwirkungen und sollte deshalb in der
Oberstufe behandelt werden.
•
Dynamik
Bestehender RLP. Die Dynamik gehört zu den Grundlagen der Physik.
•
Arbeit, Energie, Leistung
Bestehender RLP. Diese Begriffe gehören zur Allgemeinbildung.
•
Erhaltungssätze
Sehr wichtig: Energie-, Impuls- und Drehimpulserhaltung ; Lösung von komplexen physikalischen
Problemen.
1
Die Mechanik gilt in 3 von 4 Studiengängen als wichtiger Bereich der Physik. Im Fach Physik sollten die
Grundkonzepte eingeführt und erläutert sowie die Grundgesetze hergeleitet werden. Weiterführende
Themen und Anwendungen werden im Fach Mechanik behandelt.
1
Inhalt
Kenntnisse
Definitionen und Begriffe der Einheiten der Länge und der Zeit.
Bewegungslehre
Geschwindigkeit, Impuls, Beschleunigung.
Umlaufdauer, Umlauffrequenz.
Winkelgeschwindigkeit, Winkelbeschleunigung.
Fertigkeiten
Addition bzw. Subtraktion von Geschwindigkeitsvektoren.
Fähigkeiten
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Mathematik: Proportionalität, Vektoren, Radiant.
Inhalt
Kenntnisse
Bewegungsarten
Beschreibung einer Bewegung in unterschiedlichen Bezugssystemen.
Bewegungsgleichungen: geradlinige und kreisförmige Bewegungen,
gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen.
Fertigkeiten
Weg(Drehwinkel)-Zeit- und (Winkel-)Geschwindigkeit-Zeit-Schaubilder
erstellen und auswerten, Bewegungsgleichungen aus diesen Schaubildern
herleiten.
Praktikum: Methoden zur Messungen von Zeit, Geschwindigkeit,
Winkelgeschwindigkeit.
Fähigkeiten
Praktikum: Bewegungen experimentell untersuchen, Meßdaten auswerten
und Bewegungsgleichungen ableiten und auf die Bewegungsart schließen
können.
Bewegungen aus Alltag und Technik modellieren, Bewegungsgleichungen auf solche Bewegungen übertragen, Modellvorstellungen
überprüfen.
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Informatik: Schaubilder erstellen und auswerten.
Inhalt
Kenntnisse
Masse
Definition der Masse, Dichte.
Formeln zur Berechnung von Volumen.
Fertigkeiten
Praktikum: Umgang mit Balkenwaage und elektronischer Waage,
Methoden zur Bestimmung der Dichte von festen, flüssigen und
gasförmigen Körpern.
Fähigkeiten
Praktikum: Proportionalität zwischen Masse und Volumen herleiten.
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Informatik: Schaubilder erstellen und auswerten.
2
Inhalt
Kenntnisse
Kraft
Wirkungen einer Kraft.
Kraft als vektorielle Größe.
Drehmoment.
Gleichgewichtsbedingungen.
Gewichtskraft, Reibungskraft, Hookesches Gesetz.
Fertigkeiten
Graphische und rechnerische Zusammensetzung und Zerlegung von
Kräften.
Praktikum: Umgang mit Dynamometer.
Fähigkeiten
In einer gegebenen Situation alle auf einen Körper wirkenden Kräfte
feststellen (Körper frei machen).
Aus der beobachteten Wirkung auf die Kraft bzw. das Drehmoment
schließen können und umgekehrt.
Praktikum: Hookesches Gesetz, Eigenschaften der Reibungskraft und
Gleichgewichtsbedingungen (Kräfteaddition, Hebelgesetz) herleiten.
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Mathematik: Addition und Zerlegung von
Kraftvektoren.
Inhalt
Kenntnisse
Newton-Axiome
Trägheitsprinzip, Schwerpunktsatz.
Reaktionsprinzip.
Grundgleichung der Mechanik, Impulsänderung und Kraftstoß.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Vorgänge aus Alltag und Technik anhand von Trägheits- und
Reaktionsprinzip erklären können.
Praktikum: Grundgleichung der Mechanik, Berechnungsformel für
Zentripetalkraft herleiten.
Hinweise und Bemerkungen
Inhalt
Kenntnisse
Dynamik der Drehbewegung
Zentripetal- und Zentrifugalkraft.
Grundgleichung der Drehbewegung.
Fertigkeiten
Beschreibung einer Drehbewegung in verschiedenen Bezugssystemen,
bei beschleunigten Bezugssystemen Trägheitskraft einführen.
Fähigkeiten
Betrag, Wirkungslinie und Richtung der Zentripetalkraft herleiten und
die einzelnen Schritte erklären können.
Praktikum: Grundgleichung der Drehbewegung herleiten.
Hinweise und Bemerkungen
3
Inhalt
Kenntnisse
Gravitation
Gravitationsgesetz.
Gravitationsfeld, Feldstärke.
Keplersche Gesetze.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Planeten- und Satellitenbahnen berechnen können.
Hinweise und Bemerkungen
Inhalt
Kenntnisse
Arbeit, Energie, Leistung
Arbeit allgemein, Arbeitsformen.
Leistung, Wirkungsgrad.
Energie allgemein, Energieformen, Energieumwandlungen.
Fertigkeiten
Kraft-Weg-Schaubilder erstellen, Berechnungsformeln für Arbeit aus
diesen Schaubildern herleiten.
Fähigkeiten
Energieumwandlungen in einem physikalischen System beschreiben
können.
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Mathematik: Arbeit als Skalarprodukt.
Inhalt
Kenntnisse
Erhaltungssätze
Abgeschlossenes physikalisches System.
Energie-, Impuls- und Drehimpulserhaltungssatz.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Anwendung der Erhaltungssätze
physikalischen Problemen.
zur
Lösung
von
komplexen
Hinweise und Bemerkungen
Praktische Beispiele anführen und erläutern.
Beispiel:
Ein Fahrzeug bewegt sich auf einer geraden Bahn. Die Zeit- und Ortskoordinaten werden
durch die folgende Meßreihe wiedergegeben:
Zeit t (s)
0,0
0,8
2,4
3,6
5,2
Ort s (m)
0,0
4,8
43,2
97,2
202,8
a) Der Bewegungsablauf soll in einem Schaubild wiedergegeben werden.
b) Um welche Bewegungsform handelt es sich? Geben Sie die Bewegungsgleichung an.
Beispiel:
Zwei Kugeln mit den Massen m1 =5 kg und
m2 = 15 kg werden wie in der Abbildung an einen
über eine Rolle laufenden Faden gehängt. Von der
Masse der Rolle und der Masse des Fadens soll bei
4
der Bearbeitung abgesehen werden, ebenso von einer auftretenden Reibung. Die beiden
Kugeln führen eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung aus, die erste Kugel bewegt
sich nach oben, die zweite Kugel bewegt sich nach unten. Welche Beschleunigung a
erfahren die Kugeln?
Beispiel:
Durch eine Kaplan-Wasserturbine strömen in der Zeit ∆t = 1 min ∆V = 13⋅103 m3 Wasser.
Das nutzbare Gefälle beträgt h = 70 m. Der Leistungsverlust in der gesamten Anlage
(Turbine und Rohrleitungen) beträgt 11 %. Welche Leistung P gibt die Turbine ab?
Dichte des Wassers: ρW = 103 kg m-3, g = 9,81 m s -2.
Beispiel:
Ein Luftgewehrgeschoß der Masse m1 = 0,5 g wird mit der Geschwindigkeit v1 horizontal
in einen Sandsack der Masse m2 = 0,5 kg geschossen. Der Sack hängt ruhend an zwei
Fäden, er kann wie ein Pendel um eine horizontale Achse schwingen. Der
Sandsackschwerpunkt hat von dieser Achse den Abstand l = 75 cm. Unmittelbar nach
dem Einschuß schwingt der Sack aus der Ruhelage aus; die größte Auslenkung beträgt
α = 4 °.
a) Welche Geschwindigkeit v1 hatte das Geschoß? (g = 9,81 rn s -2.)
b) Welcher Prozentsatz η der mechanischen Energie bleibt als mechanische Energie bei
dem Zusammenprall von Geschoß und Sandsack erhalten?
Schwingungen und Wellen 2
Inhalt
Kenntnisse
Definitionen und Begriffe
Schwingung als periodischer Vorgang.
Periodendauer, Frequenz, Kreisfrequenz, Elongation, Amplitude.
Dämpfung.
Freie und erzwungene Schwingungen, Resonanz.
Fertigkeiten
Geschwindigkeitsproportionale Dämpfung: Exponentiale Abnahme der
Amplitude untersuchen, Halbwertszeit definieren.
Fähigkeiten
Schwingungsfähigkeit eines physikalischen Systems erkennen und
untersuchen.
Hinweise und Bemerkungen
Dämpfung, Resonanz: Praktische Beispiele anführen und erläutern.
Fächerübergreifend zur Mathematik: Periodizität, periodische
Funktionen.
Inhalt
Kenntnisse
Harmonische Schwingungen
Richtgröße, Gesetzmäßigkeiten harmonischer Schwingungen.
Mathematisches Pendel, physische Pendel.
Überlagerung von harmonischen Schwingungen gleicher Frequenz.
Schwebung.
2
Bestehender RLP. Sehr wichtig: Die allgemeinen Erkenntnisse über Schwingungen und Wellen bilden die
Grundlage z.B. der Akustik und der Wellenoptik.
5
Fertigkeiten
Zeigerdiagramm erstellen und auswerten.
Addition von Sinusfunktionen.
Fähigkeiten
Gesetzmäßigkeiten harmonischer Schwingungen herleiten und die
einzelnen Schritte erklären können.
Energieumwandlung bei einer harmonischen Schwingung beschreiben
können, Erhaltung der Gesamtenergie bei ungedämpften Schwingungen
überprüfen.
Periodische Vorgänge aus Alltag und Technik modellieren, Gesetzmäßigkeiten der harmonischen Schwingungen auf diese Vorgänge übertragen,
Modellvorstellungen überprüfen.
Praktikum: Berechnungsformel für Periodendauer experimentell herleiten
(mathematisches Pendel, Federpendel) oder überprüfen (physische
Pendel).
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Elektrotechnik: RLC-Schwingkreis.
Fächerübergreifend zur Mathematik: Addition von Sinusfunktionen.
Inhalt
Kenntnisse
Wellen
Entstehung und Ausbreitung von Wellen.
Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Längs- und Querwellen, Beispiele.
Wellengleichung.
Huygenssches Prinzip.
Reflexion und Brechung von Wellen.
Energietransport, Abstandsgesetz.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Räumliche und zeitliche Periodizität einer Welle erkennen und daraus
den Zusammenhang zwischen Periodendauer und Wellenlänge ableiten
können.
Wellengleichung herleiten und die einzelnen Schritte erklären können.
Hinweise und Bemerkungen
Inhalt
Kenntnisse
Interferenzerscheinungen
Interferenzbedingungen
Stehende Wellen, Schwingungsknoten, Schwingungsbauch.
Beugungserscheinungen.
Fertigkeiten
Praktikum: Erzeugung von stehenden Wellen zur Bestimmung der
Ausbreitungsgeschwindigkeit.
6
Fähigkeiten
Überlagerung von zwei gleichgerichteten Wellen gleicher Frequenz
untersuchen und die Punkte minimaler und maximaler Amplitude
bestimmen können.
Interferenz- und Beugungserscheinungen anhand des Huygensschen
Prinzips erklären können.
Praktikum: Stehende Querwellen längs einer Schnur und stehende
Schallwellen untersuchen, Frequenzbedingungen herleiten können.
Hinweise und Bemerkungen
Stehende Schallwellen bei Musikinstrumenten.
Inhalt
Kenntnisse
Dopplereffekt
Doppler-Prinzip.
Gesetzmäßigkeiten des Dopplereffekts.
Fertigkeiten
Praktikum: Radarprinzip, Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe von
Ultraschallwellen.
Fähigkeiten
Frequenzänderung bei Relativbewegung von Quelle und Empfänger
untersuchen, Gesetzmäßigkeiten des Dopplereffekts herleiten und die
einzelnen Schritte erklären können.
Hinweise und Bemerkungen
Beispiel:
Ein U-Rohr hat den konstanten Querschnitt A = 6,5 cm2 . In das U-Rohr werden V = 4 cm3
Wasser gefullt.
a) Zeigen Sie, daß die Wassersäule harmonische Schwingungen ausführt, wenn sie im
vertikal stehenden U-Rohr hin und her pendelt.
b) Berechnen Sie die Schwingungsdauer der harmonischen Schwingung.
Beispiel:
Zwei Transversalwellen breiten sich längs der x-Achse aus; sie haben die gleiche
Schwingungsebene. Ihre Wellenlängen, ihre Frequenzen und ihre Amplituden stimmen
überein: λ = 4 cm, ν = 2 s-1 und smax = 2 cm. Die Wellen laufen auf der x-Achse in
verschiedenen Richtungen. Im Koordinatenanfangspunkt rufen sie Schwingungen hervor,
die zu jeder Zeit in der Phase übereinstimmen. Zur Zeit t0 = 0 hat die erste Welle im
Koordinatenanfangspunkt die Elongation Null; die Elongation wächst in der unmittelbar
folgenden Zeit zunächst an. Eine Dämpfung liegt nicht vor.
a) Stellen Sie die Wellengleichungen für die beiden Wellen auf!
b) Gewinnen Sie aus den Wellengleichungen der Ausgangswellen die Wellengleichung
für die resultierende Welle!
c) Geben Sie die Koordinaten derjenigen Orte an, in denen die resultierende Welle zu
jeder Zeit die Elongation Null hat! Geben Sie ebenso die Koordinaten derjenigen Orte
an, in denen maximale Elongationen auftreten!
Beispiel:
Ein Kupferstab von l = 56 cm Länge wird in seiner Mitte fest eingeklemmt. Durch Reiben
in seiner Längsrichtung wird er zum Schwingen angeregt, es entsteht in dem Kupferstab
eine stehende Longitudinalwelle. Er ruft in einem Kundt-Rohr stehende Schallwellen
hervor; sie bewirken eine Anhäufung des in dem Rohr befindlichen Korkpulvers in
Abständen von je d = 5 cm. Ermitteln Sie aus diesen Angaben die Schallgeschwindigkeit
7
cKupfer in Kupfer. Die Messungen wurden bei der Temperatur 15 °C und dem Druck
1,013 bar durchgeführt. Bei diesen Daten beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft
cLuft = 340 m s -1.
Beispiel:
Eine Schallquelle bewegt sich mit der Geschwindigkeit v unmittelbar an einem ruhenden
Beobachter vorbei. Im Augenblick der Begegnung sinkt die vom Beobachter
wahrgenommene Tonhöhe um eine Quinte; d.h., daß sich die wahrgenommenen
Frequenzen ν' und ν’' wie ν'/ν’' = 3/2 verhalten. Berechnen Sie die Geschwindigkeit v!
Schallgeschwindigkeit cLuft = 340 m s -1.
Thermodynamik3
Bemerkungen:
•
Grundlagen der Wärmelehre
Bestehender RLP. Begriffe wie Temperatur und Wärmeenergie gehören zur Allgemeinbildung.
•
Entropie
Einführung im Rahmen der Wärmelehre (zweiter Hauptsatz); weiterführende Anwendungen im
Fach Chemie.
Inhalt
Kenntnisse
Temperatur, Wärme
Temperatur, Einheiten.
Thermische Volumenänderungen, Thermometer.
Wärmeenergie, Wärmekapazität.
Wärmeübertragungsarten.
Teilchenmodell.
Aggregatzustände, Gesetzmäßigkeiten bei Änderung des Aggregatzustandes.
Fertigkeiten
Praktikum: Eichen eines Thermometers, Messen von Schmelz- und
Verdampfungswärme.
Fähigkeiten
Praktikum: Umwandlung mechanischer und elektrischer Arbeit in
Wärmeenergie untersuchen, Formel für Wärmeenergie herleiten können.
Mischungsgesetze herleiten, anwenden und im Praktikum überprüfen
können.
Thermodynamische Vorgänge anhand des Teilchenmodells beschreiben
und erklären können.
Hinweise und Bemerkungen
Inhalt
Kenntnisse
Gasgesetze
Gesetz von Boyle-Mariotte.
Gesetz von Gay-Lussac.
Zustandsgleichung idealer Gase.
3
Die Thermodynamik gilt nur in einem von vier Studiengängen als wichtiger Bereich der Physik. Die
Grundlagen der Wärmelehre sollten jedoch in der Unter- und Mittelstufe behandelt werden. Sie dienen
außerdem dem Verständnis komplexer Vorgänge z.B. in Verbrennungsmotoren, Kraftwerken, usw.
(werden im Fach Technologie behandelt).
8
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Praktikum: Gasgesetze experimentell herleiten.
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Informatik: Schaubilder erstellen und auswerten.
Inhalt
Kenntnisse
Hauptsätze der Thermodynamik Erster und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik.
Reversible und irreversible Vorgänge.
Entropie.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Energieumwandlungen bei einfachen Wärmemaschinen beschreiben
können.
Hinweise und Bemerkungen
Zweiter Hauptsatz und Entropie anhand von Beispielen erläutern.
Wärmemaschinen werden im Fach "Technologie" eingehender
untersucht.
Beispiel:
Welche Mischungstemperatur ergibt sich, wenn 15 g Eis von –6 °C mit 100 g Wasser von
20 °C, das sich in einem Glas von 200 g Masse und 20 °C befindet, gemischt werden?
Beispiel:
Ein Behälter mit dem Volumen 5·10-2 m3 wird bei der Temperatur 20 °C und dem Druck
1015 hPa verschlossen. Auf einem Berg wird er wieder geöffnet, nachdem der Inhalt sich
auf die Außentemperatur –10 °C abgekühlt hat; der Außendruck beträgt dort 960 hPa.
Strömt beim Öffnen des Behälters Luft ein oder aus, und wie groß ist das Volumen dieser
Luft?
Flüssigkeiten und Gase
Bemerkungen:
•
Statik der Flüssigkeiten und Gase
Bestehender RLP. Begriffe wie Druck und Auftrieb gehören zur Allgemeinbildung.
•
Strömungslehre
Die Grundkonzepte der Strömungslehre (Geschwindigkeit, Druck, Dichte, Temperatur,…) werden
in der Unter- und Mittelstufe behandelt ; Strömungslehre kann fakultativ in der Oberstufe eingeführt
werden.
Inhalt
Kenntnisse
Druck
Allgemeine Definition, Einheiten.
Pascalsches Gesetz.
Hydrostatischer Druck, Luftdruck.
Instrumente zur Druckmessung.
Fertigkeiten
9
Fähigkeiten
Gesetzmäßigkeiten für den hydrostatischen Druck experimentell und
theoretisch herleiten können.
Hinweise und Bemerkungen
Einfache Anwendungen behandeln (z.B. Flüssigkeitspresse)
Inhalt
Kenntnisse
Auftrieb
Gesetz von Archimedes.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Gesetzmäßigkeiten für den Auftrieb experimentell und theoretisch
herleiten können.
Bedingungen für Schwimmen, Schweben, Sinken und die Berechnungsformel für Eintauchtiefe herleiten können.
Hinweise und Bemerkungen
Einfache Anwendungen behandeln (z.B. Aräometer)
Inhalt
Kenntnisse
Dynamik
Strömung, Stromlinien.
Kontinuitätsgleichung und Bernoullische-Gleichung.
Staudruck.
Viskosität, Luftwiderstand.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Hinweise und Bemerkungen
Einfache Anwendungen behandeln.
Beispiel:
Um wieviel Prozent verringert sich scheinbar die Gewichtskraft eines massiven
Eisenblocks, wenn man ihn aus der Luft in eine Salzlösung bringt? Die Dichten sind
ρ Fe = 7,9 g cm-3, ρ Salzlösung = 1,5 g cm-3. Um wieviel Prozent verändert sich scheinbar die
Gewichtskraft, wenn man den Versuch auf dem Mond durchrührt?
Beispiel:
Ein 20 cm hohes trichterförmiges Gefäß verjüngt sich von einem oberen Durchmesser
d 1 = 12 cm zu einem unteren Durchmesser d 2 = 2 cm. Welcher Druckunterschied herrscht
zwischen dem oberen und dem unteren Querschnitt, wenn es
a) ganz mit ruhendem Wasser gefüllt ist,
b) wenn je Sekunde 0,3 Liter Wasser hindurch strömen?
Optik4
Bemerkungen:
•
Geometrische Optik
4
Die Optik gilt in 3 von 4 Studiengängen als wichtiger Bereich der Physik. Die geometrische Optik soll in
der Unter- und Mittelstufe behandelt werden. Nach einer Einführung in die allgemeine Wellentheorie wird
die Wellenoptik in der Oberstufe behandelt.
10
Bestehender RLP. Gehört zur Allgemeinbildung.
•
Wellenoptik
Bestehender RLP. Das Wellenmodell ist eine der fundamentalen Modellvorstellungen für das Licht.
•
Spektren
Erzeugung und Untersuchung von optischen Spektren im Rahmen der Wellenoptik.
Inhalt
Kenntnisse
Geometrische Optik
Lichtquellen, Lichtstrahlen.
Lichtausbreitung, Lichtgeschwindigkeit.
Reflexionsgesetz.
Strahlengang bei ebenen und sphärischen Spiegeln.
Brechungsgesetz.
Strahlengang durch sphärischen Linsen.
Lichtstärke, Beleuchtungsstärke, Abstands- und Neigungsgesetz.
Lichtdispersion.
Fertigkeiten
Praktikum: Strahlengang durch Prisma und planparallele Platte, Totalreflexion untersuchen.
Fähigkeiten
Bilder bei Abbildungen mit Spiegeln und Linsen konstruieren können.
Bildgrößen- und Abbildungsgleichung theoretisch herleiten können und
im Praktikum überprüfen.
Bildentstehung im Auge erläutern und skizzieren können.
Entstehung der Farben erklären können.
Hinweise und Bemerkungen
Beispiele und Anwendungen der Totalreflexion erläutern.
Fakultativ: Bildkonstruktion bei Systemen mit zwei Linsen (z.B.
Mikroskop, Teleskop).
Inhalt
Kenntnisse
Wellenoptik
Wellennatur des Lichtes.
Wellenlängen, sichtbarer Wellenlängenbereich.
Interferenzen, Kohärenzbedingung.
Lichtpolarisation, Polarisator, Analysator.
Fertigkeiten
Praktikum: Methoden zur Bestimmung der Wellenlänge des Lichtes.
Praktikum: Spektralanalyse mit Prisma und/oder Gitter, Untersuchung
der Linienspektren von Gas- oder Dampflampen und des kontinuierlichen
Spektrums einer Glühlampe.
Fähigkeiten
Beugung am Spalt erklären und die Gesetzmäßigkeiten herleiten können.
Interferenz- und/oder Beugungserscheinungen des Lichtes in einer
gegebenen Anordnung untersuchen können.
11
Hinweise und Bemerkungen
Anwendungen der Interferenz- und Beugungsphänomene nennen und
kurz erläutern.
Polarisationsmethoden kurz erläutern und Anwendungen nennen.
Beispiel:
Ein Gegenstand der Gegenstandsgröße G ist g = 2 rn von der Mitte einer dünnen Konkavlinse der Brennweite f = -10 cm entfernt.
a) Berechnen Sie die Bildweite b. Wo befindet sich das Bild?
b) Ist das Bild reell oder virtuell?
c) Berechnen Sie den Abbildungsmaßstab k.
Beispiel:
Ein optisches Strichgitter besteht aus äquidistanten Einzelspalten der Spaltbreite
l = 2⋅10-3 mm, deren Mitten den Abstand a = 8⋅10-3 mm haben. Das Gitter wird mit
monochromatischem Licht beleuchtet. Welche Spektrallinien fallen aufgrund der
Einzelspaltinterferenz aus, obwohl in diesen Beugungsrichtungen nach der
Gittergleichung a⋅sin α = z⋅λ ein Intensitätsmaximum vorliegen müßte?
Elektrizitätslehre5
Bemerkungen:
•
Grundlagen der Elektrizitätslehre
Bestehender RLP. Begriffe wie Ladung, Spannung und Stromstärke gehören zur Allgemeinbildung.
•
Magnetismus
Bestehender RLP. Begriffe wie Magnet und Erdmagnetismus gehören zur Allgemeinbildung.
•
Elektrisches und magnetisches Feld
Gehören zu den Grundlagen der Elektrizitätslehre.
•
Elektromagnetische Wellen
Könnten als Beispiel im Rahmen der allgemeinen Wellentheorie und als Einführung in die
Wellenoptik behandelt werden. Im Fach Elektrotechnik: Benutzung eines elektrischen
Schwingkreises zur Erzeugung elektromagnetischer Wellen.
Inhalt
Kenntnisse
Elektrizität
Elektrische Ladungen, Polaritätsgesetz.
Coulombgesetz.
Elektrisches Feld, elektrische Feldstärke.
Elektrische Spannung.
Elektrischer Strom, Stromstärke.
Wirkungen und Gefahren des elektrischen Stroms
Leiter, Nichtleiter.
Elektrischer Widerstand.
Elektrische Arbeit und Leistung.
5
Die Elektrizitätslehre gilt in allen vier Studiengängen als wichtiger Bereich der Physik. Die Grundlagen
der Elektrizitätslehre werden in der Unter- und Mittelstufe behandelt; weiterführende Inhalte (komplexe
Schaltungen, Kondensator, Spule, usw.) sollten im Fach Elektrotechnik behandelt werden.
12
Fertigkeiten
Praktikum: Umgang mit elektrischen Meßinstrumenten.
Fähigkeiten
Praktikum: Ohmsches Gesetz, Leiterwiderstandsgesetz, und die
Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes herleiten.
Praktikum: Gesetzmäßigkeiten der Reihen- und Parallelschaltung
herleiten.
Bewegung einer Ladung in einem homogenen elektrischen und/oder
magnetischen Feld untersuchen können.
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Chemie: Elektronenhülle des Atoms, Elektrolyse.
Inhalt
Kenntnisse
Magnetismus
Magnete, Elementarmagnete.
Magnetische Kraftwirkung.
Magnetisches Feld, magnetische Flußdichte.
Erdmagnetismus.
Lorentzkraft.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Bewegung einer Ladung in einem homogenen magnetischen und/oder
elektrischen Feld untersuchen können.
Hinweise und Bemerkungen
Beispiel:
Zwei Widerstände von 4,8 Ω und 6 Ω sind an 10 V Spannung angeschlossen. Berechnen
Sie:
a) die Stromstärke in der Zuleitung bei Parallelschaltung,
b) die Stromstärke in der Zuleitung bei Reihenschaltung,
c) den Spannungsabfall in jedem Widerstand bei Reihenschaltung.
Beispiel:
Ein Elektron wird in einer Elektronenkanone mit der Spannung U = 200 V beschleunigt
und in ein homogenes Magnetfeld senkrecht zu dessen Feldlinien eingeschossen. In
diesem Feld durchläuft es eine Kreisbahn mit dem Radius r = 4,2 cm. Welchen Betrag hat
die magnetische Flußdichte des Magnetfeldes?
Spezielle Relativitätstheorie6
Inhalt
Kenntnisse
Relativitätsprinzip
Relativitätsprinzip der klassischen Mechanik.
Grenzen der klassischen Mechanik.
Postulate der speziellen Relativitätstheorie.
Relativität der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation, Längenkontraktion.
6
Bestehender RLP. Die wichtigsten Folgerungen aus der Relativitätstheorie gehören zur Allgemeinbildung.
13
Fertigkeiten
Zeitdilatation und Längenkontraktion anhand von Gedankenexperimenten herleiten.
Fähigkeiten
Hinweise und Bemerkungen
Inhalt
Kenntnisse
Masse und Energie
Relativistische Form des Impulses.
Masse-Energie-Relation, Ruhenergie.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Masse-Energie-Relation herleiten und die einzelnen Schritte erklären
können.
Umwandlung von kinetischer Energie in Ruhemasse beim unelastischen
Stoß untersuchen (v<<c).
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Mathematik: Ableitungen und Integrale.
Beispiel:
Die Ruhmasse eines positiven Pions ist m0 = 2,49·10-28 kg. Es werden Pionen mit der
kinetischen Energie Wk = 35 MeV hergestellt. Um welchen Faktor ist dabei die
Halbwertszeit der Pionen größer geworden?
Quantenphysik7
Inhalt
Kenntnisse
Photoelektrischer Effekt
Teilchennatur des Lichtes, Photon.
Austrittsarbeit, Grenzwellenlänge.
Plancksches Wirkungsquantum.
Fertigkeiten
Zusammenhang zwischen Lichtfrequenz und kinetischer Energie der
Photoelektronen herleiten.
Fähigkeiten
Praktikum: Plancksches Wirkungsquantum bestimmen.
Hinweise und Bemerkungen
Unterschied zur klassischen Lichttheorie erläutern.
Inhalt
Kenntnisse
Dualismus Teilchen-Welle
De Broglie-Wellenlänge eines Teilchens.
Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation.
Fertigkeiten
7
Bestehender RLP. Bildet die Grundlage der modernen Physik.
14
Fähigkeiten
Anhand eines Beugungsversuchs mit Teilchen die Unbestimmtheitsrelation herleiten und die einzelnen Schritte erklären können.
Hinweise und Bemerkungen
Anwendungsbereich der Wellentheorie der Materie unterstreichen.
Beispiel:
Um Elektronen aus einer Natriumfotozelle auszulösen, darf das Licht höchstens die
Wellenlänge 6,5⋅10-7 m haben. Welche Gegenspannung ist erforderlich, um bei
einfallendem Licht mit der Wellenlänge 3,0⋅10-7 m den Strom der Fotoelektronen zu
unterbinden?
Beispiel:
Wie groß ist die De Broglie-Wellenlänge des Elektrons in einem Wasserstoffatom im
Grundzustand und in den ersten beiden Anregungszuständen? Wie groß ist in diesen
Fällen die Anzahl der Wellen, die auf der jeweiligen Bohr-Bahn Platz finden?
Atomphysik8
Inhalt
Kenntnisse
Physik der Elektronenhülle
Atommodell nach Bohr, Bohr-Postulate.
Grenzen des Bohrschen Atommodells, Aufenthaltswahrscheinlichkeit,
Orbitale.
Fertigkeiten
Wellenlängen von Emissionslinien berechnen und im Praktikum messen.
Fähigkeiten
Bahnradien, Bahngeschwindigkeiten und Energieniveaus für das
Wasserstoffatom herleiten und die einzelnen Schritte erklären können.
Emissions- und Absorptionsspektrenren erklären können.
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Chemie: Modellvorstellungen des Atoms.
Anwendung: Funktionsweise des Lasers.
Beispiel:
Um Wasserstoffatome in den angeregten Zustand zu versetzen, werden sie mit
Fremdelektronen bestrahlt, die eine Beschleunigungsspannung von 12,8 V durchlaufen
haben.
a) Wieviel verschiedene Spektrallinien kann ein solches Wasserstoffatom aussenden?
b) Berechne die größte und die kleinste Wellenlänge dieser Spektrallinien!
c) Welcher dieser Spektrallinien fallen in den sichtbaren Bereich?
8
Bestehender RLP. Atommodell, diskrete Energieniveaus und die Erzeugung von Laserlicht sind wichtige
Inhalte der modernen Physik und gehören zur Allgemeinbildung.
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Kernphysik9
Inhalt
Kenntnisse
Atomkerne
Aufbau der Atomkerne.
Kräfte im Atomkern, Stabilität des Atomkerns.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Hinweise und Bemerkungen
Fächerübergreifend zur Technologie: Kernspaltung, Kettenreaktion,
Kernfusion.
Inhalt
Kenntnisse
Radioaktivität
Grunderscheinungen der natürlichen Radioaktivität.
Radiologische Aktivität.
Grundgesetz des radioaktiven Zerfalls, Halbwertszeit, mittlere Lebensdauer.
Verschiebungssätze, radioaktive Zerfallsreihen.
Fertigkeiten
Fähigkeiten
Grundgleichung des radioaktiven Zerfalls theoretisch herleiten und die
einzelnen Schritte erklären können.
Praktikum: Zerfallsgesetz herleiten, Halbwertszeit bestimmen können.
Hinweise und Bemerkungen
Biologische Strahlenwirkungen, Schutzmaßnahmen erläutern.
Fächerübergreifend zur Mathematik: Differentialgleichungen
Beispiel:
9
Die Erfahrung zeigt, daß die Masse m = 0,1 g Uran 238 in einer Sekunde rund 1240
Alphateilchen aussendet. Welche Größenwerte errechnen sich hieraus für die
Zerfallskonstante, die Halbwertszeit und die mittlere Lebensdauer von Uran 238?
Bestehender RLP. Der Aufbau des Atomkerns und die Radioaktivität gehören zur Allgemeinbildung.
16