Experimente und Materialien Kommentar
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Stoffverteilungsplan zu Dorn-Bader Physik Gymnasium (G8) 11/12 , ISBN 978-3-507-10748-9 und Dorn-Bader Physik Gymnasium Sek II , ISBN 978-3-507-10775-5 für das Land Nordrhein-Westfalen Diese Version des Stoffverteilungsplanes orientiert sich an der Reihenfolge der Inhalte im Buch, die der im Kernlehrplan vorgeschlagenen Reihenfolge entspricht. Erläuterungen Ergänzende Inhalte und Experimente sind in blauer kursiver Schrift aufgeführt. Beim Zeitbedarf sind auch Übungsphasen berücksichtigt, nicht jedoch ergänzende Inhalte. Beim Zeitbedarf wurde eine Wiederholungsphase am Ende der Q2 berücksichtigt. Die in der Spalte „Experimente und Materialien“ aufgeführten Simulationen und Dateien finden sich auf der CD, die hinten in das Buch eingelegt ist, und unter www.dorn-bader.de An wenigen Stellen werden ergänzend Materialien aus dem GK-Buch empfohlen (Dorn-Bader Physik Qualifikationsphase Nordrhein-Westfalen, ISBN 978-3-507-11802-7) Übersichtsraster Unterrichtsvorhaben Qualifikationsphase I Kontext, Inhaltsfeld, Zeitbedarf Unterrichtsvorhaben I Kontext: Gedankenexperimente in der Relativitätstheorie Inhaltsfeld: Relativitätstheorie Zeitbedarf: etwa 30 Ustd. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben II Kontext: Bewegung von Ladungsträgern in Feldern Inhaltsfeld: Elektrik Zeitbedarf: etwa 40 Ustd. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben III Kontext: Elektrische Energie gewinnen und verteilen Inhaltsfeld: Elektrik Zeitbedarf: etwa15 Ustd. à 45 Minuten 1 Inhaltliche Schwerpunkte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Problem der Gleichzeitigkeit Zeitdilatation und Längenkontraktion Relativistische Massenzunahme Energie-Masse-Beziehung Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern Elektromagnetische Induktion Kompetenzschwerpunkte UF1 Wiedergabe UF2 Auswahl K3 Präsentation UF1 Wiedergabe UF2 Auswahl E4 Untersuchungen und Experimente E5 Auswertung E6 Modelle UF4 Vernetzung E6 Modelle K1 Dokumentation Unterrichtsvorhaben IV Kontext: Drahtlose Nachrichtenübermittlung Inhaltsfeld: Elektrik Zeitbedarf: etwa 20 Ustd. à 45 Minuten Unterrichtsvorhaben V Kontext: Interferenzphänomene Inhaltsfeld: Elektrik Zeitbedarf: etwa 25 Ustd. à 45 Minuten Elektromagnetische Schwingungen und Wellen UF2 Auswahl E6 Modelle UF1 Wiedergabe UF2 Auswahl E5 Auswertung E6 Modelle K3 Präsentation Summe Qualifikationsphase I – 130 Stunden Qualifikationsphase II Kontext, Inhaltsfeld, Zeitbedarf Unterrichtsvorhaben VI Kontext: Von klassischen Vorstellungen zur Quantenphysik Inhaltsfeld: Quantenphysik Zeitbedarf: etwa 25 Ustd. à 45 Minuten Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Inhaltliche Schwerpunkte Licht und Elektronen als Quantenobjekte Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlichkeitsinterpretation Quantenphysik und klassische Physik Kompetenzschwerpunkte E6 Modelle E7 Arbeits- und Denkweisen K2 Recherche K4 Präsentation B4 Möglichkeiten und Grenzen Atomaufbau E5 Auswertung Unterrichtsvorhaben VII Kontext: Geschichte der Atommodelle Ionisierende Strahlung E6 Modelle Inhaltsfeld: Atom-, Kern- und ElementarteilE7 Arbeits- und Denkweisen chenphysik Zeitbedarf: etwa 10 Ustd. à 45 Minuten Ionisierende Strahlung UF3 Systematisierung Unterrichtsvorhaben VIII Kontext: Mensch und Strahlung Radioaktiver Zerfall UF4 Vernetzung Inhaltsfeld: Atom-, Kern- und Elementarteil- Kernspaltung und Kernfusion B1 Kriterien chenphysik B3 Werte und Normen Zeitbedarf: etwa 30 Ustd. à 45 Minuten Elementarteilchen und ihre Wech- UF3 Systematisierung Unterrichtsvorhaben IX Kontext: Elementarteilchenphysik selwirkung E6 Modelle Inhaltsfeld: Strahlung und Materie Zeitbedarf: etwa 15 Ustd. à 45 Minuten Summe Qualifikationsphase II – 80 Stunden 2 Konkretisierte Unterrichtsvorhaben Unterrichtsvorhaben I Kontext: Gedankenexperimente in der Relativitätstheorie Buchseiten: 241 – 264 Zeitbedarf: etwa 30 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Problem der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation und Längenkontraktion, relativistische Massenzunahme, Energie-Masse-Beziehung, der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern. (UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen. (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Warum ist die Relativitätstheorie nötig? (6 Ustd.) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … 242 - 245 begründen mit dem Ausgang des Michelson-Morley-Experiments die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (UF4, E5, E6). erläutern die Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie (UF1). Experimente und Materialien Kommentar Experiment (GK-Buch, S. 172, B1): Michelson-Interferometer Relativgeschwindigkeit und Bezugssystem, Relativgeschwindigkeit bei Schallwellen, Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, EINSTEINs Postulate Experiment: Michelson-MorleyExperiment mit Ultraschall Video: Simulation des MichelsonMorley-Experiments mit Ultraschall und Wind (mov-3018) GeoGebra-Datei: GeoGebraModellierung des MichelsonMorley-Experiments mit Ätherwind (ggb-3019) Simulation: Laufzeit von Radiosignalen (CD) Simulation: GalileiTransformation (CD) 3 GK-Buch: Das Experiment von Michelson und Morley (S. 172 – 173) Mögliche Ergänzung: EINSTEINs Lebensdaten Mögliche Ergänzung: Relativität der Bewegung bei GALILEI Mögliche Ergänzung: Unabhängigkeit von c von der Lichtquelle) Mögliche Ergänzung: MichelsonMorley quantitativ (GK-Buch, S. 172) Mögliche Ergänzung: MichelsonMorley-Experiment mit Ultraschall (GK-Buch, S. 173) Zeit und Länge sind relativ (10 Ustd.) 246 - 249 leiten mithilfe der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und des Modells Lichtuhr quantitativ die Formel für die Zeitdilatation her (E5). reflektieren die Nützlichkeit des Modells Lichtuhr hinsichtlich der Herleitung des relativistischen Faktors (E7). erläutern die relativistischen Phänomene Zeitdilatation und Längenkontraktion anhand des Nachweises von in der oberen Erdatmosphäre entstehenden Myonen (UF1). Gedankenexperimente mit Lichtuhren GeoGebra-Datei: LichtuhrModellierung bei wählbarer Relativgeschwindigkeit (ggb-3020) Simulation: Lichtuhren und Synchronisation (CD) Uhrensynchronisation, Relativität der Zeitmessung, Zeitdilatation, Bestätigungsexperimente (Myonenzerfall, Experiment von HAFELE und KEATING), Längenkontraktion in Bewegungsrichtung Mögliche Ergänzung: Querstrecken bleiben unverkürzt Simulation: Zeitdilatation und Längenkontraktion (CD) Simulation: Myonenzerfall (CD) Simulationen: Längenkontraktion am Auto (CD) begründen den Ansatz zur Herleitung der Längenkontraktion (E6). beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen (K3). Masse und Energie in der SRT (6 Ustd.) 250 - 253 erläutern die Energie-MasseBeziehung (UF1). Gedankenexperimente mit Lichtuhren erläutern auf der Grundlage historischer Dokumente ein Experiment (Bertozzi-Versuch) zum Nachweis der relativistischen Massenzunahme (K2, K3). Experiment (GK-Buch, S. 183, Vertiefung 2): BertozziExperiment berechnen die relativistische kine- 4 pdf-Datei: Originalveröffentlichung von BERTOZZI aus dem Jahr 1924 Relativität der Masse, Ruhemasse, Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit, Äquivalenz von Masse und Energie, relativistische Form der Bewegungsenergie GK-Buch: Das BertozziExperiment (S. 183) Mögliche Ergänzung: Der Impuls tische Energie von Teilchen mithilfe der Energie-MasseBeziehung (UF2). beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen (K3). Simulation: Masse bei relativistischen Geschwindigkeiten (CD) Simulation: Elektron im relativistischen Bereich (CD) in der SRT Mögliche Ergänzung: Massenzunahme als Folge der Zeitdilatation Mögliche Ergänzung: Der Zusammenhang zwischen 𝛥𝑚 · 𝑐² und 1/2 𝑚𝑣² Mögliche Ergänzung: 𝑤 = 𝑚𝑐² in der Hochenergie-Physik Mögliche Ergänzung: Erhaltung von „mass-energy“ Raum, Zeit, Masse und Felder 254 - 255 Paradoxien der SRT (4 Ustd.) 256 - 259 Philosophisches zu Raum, Zeit, Masse und Feldern erläutern das Problem der relativen Gleichzeitigkeit mit in zwei verschiedenen Inertialsystemen jeweils synchronisierten Uhren (UF2). begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze von Geschwindigkeiten von Objekten Auswirkungen auf die additive Überlagerung von Geschwindigkeiten (UF2). Allgemeine Relativitätstheorie (4 Ustd.) 260 - 263 Relativität der Gleichzeitigkeit, Addition von Geschwindigkeiten Simulation: Relativität der Gleichzeitigkeit (CD) Mögliche Ergänzung: Gedankenexperiment „Du bist kürzer als ich“ Simulation: Additionstheorem (CD) Mögliche Ergänzung: 𝛥𝑡′-Formel zur Relativität der Gleichzeitigkeit Simulation: Du bist kürzer als ich! (CD) Mögliche Ergänzung: Gegenwart und Zukunft Simulation: Uhren- und Zwillingsparadoxon (CD) beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen (K3). Simulation: Wettbetrug (CD) beschreiben qualitativ den Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung (UF4). Simulationen: Raumkrümmung und Gravitation (CD) veranschaulichen mithilfe eines einfachen gegenständlichen Modells den durch die Einwirkung 5 Gedankenexperimente mit Lichtuhren Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung, Krümmung des Raums Mögliche Ergänzung: Äquivalenz von Träg- und Schwersein von massebehafteten Körpern hervorgerufenen Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung sowie die „Krümmung des Raums“ (K3). bewerten Auswirkungen der Relativitätstheorie auf die Veränderung des physikalischen Weltbildes (B4). 6 Mögliche Ergänzung: Überprüfbare Aussagen der ART Unterrichtsvorhaben II Kontext: Bewegung von Ladungsträgern in Feldern Buchseiten: 9 – 21, 26 – 35, 43 – 51, 56 – 62 Zeitbedarf: etwa 40 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder, Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern. (UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen. (E4) Experimente mit komplexen Versuchsplänen und Versuchsaufbauten, auch historisch bedeutsame Experimente, mit Bezug auf ihre Zielsetzungen erläutern und diese zielbezogen unter Beachtung fachlicher Qualitätskriterien durchführen. (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimente und Simulationen erklären oder vorhersagen. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Ladung und Strom (2 Ustd.) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … 10 – 11 Experimente und Materialien Kommentar Experiment (V1): Mittelwertbildung bei der Stromstärke Bekanntes aus der Mittelstufe: Strom als fleißende Ladung, Ladungsmessung, negative und positive Ladungen, Kraftwirkung von Ladungen Experiment (V2): Ladungsmessung mit einer zwischen zwei Kondensatorplatten pendelnden Kugel. Experiment (B4): Elektroskop als Nachweisgerät für elektrische Ladungen Faradays Feldidee (3 Ustd.) 7 12 – 13 erläutern den Feldbegriff und zeigen dabei Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Gravitationsfeld und elektrischem Feld auf (UF3, E6). Experiment (V1): Beobachtung von Watteflocken im elektrischen Feld Experiment (V2): Veranschaulichung der Feldstruktur mit Grieß- Elektrisches Feld, elektrische Feldlinien, Influenz erklären elektrostatische Phänomene und Influenz mithilfe grundlegender Eigenschaften elektrischer Ladungen (UF2, E6). erläutern und veranschaulichen die Aussagen, Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodellen, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschaulichung typischer Felder und interpretieren Feldlinienbilder (K3, E6, B4). Die elektrische Feldstärke (4 Ustd.) 14 – 19 beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer Felder und erläutern die Definitionsgleichung der Feldstärke (UF2, UF1). körnern in Rizinusöl Experiment (B1): Ablenkung von Elektronen im Feld eines Plattenkondensators Simulation: Influenz (CD) Experiment (S. 14, V1): Probeladung im Kondensatorfeld Simulation: Feldstärke bei zwei gleichnamigen/ungleichnamigen Ladungen (CD) erläutern an Beispielen den Stellenwert experimenteller Verfahren bei der Definition physikalischer Größen (elektrische Feldstärke) und geben Kriterien zu deren Beurteilung an (z.B. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Unabhängigkeit von Ort und Zeit) (B1, B4). 8 20 – 21 Mögliche Ergänzung: elektronische Kraftmessung, Elektrofeldmeter Mögliche Ergänzung: Flächenladungsdichte Mögliche Ergänzung: deduktive Herleitung des Coulomb-Gesetzes Mögliche Ergänzung: Superposition von Coulombfeldern erläutern den Feldbegriff und zeigen dabei Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Gravitationsfeld und elektrischem Feld auf (UF3, E6).wWählen physikalische Gesetze (Coulomb-Gesetz) problembezogen aus (UF2). Spannung und Energie (4 Ustd.) Elektrische Feldstärke, CoulombKräfte, Unterschiede zur Gravitation Mögliche Ergänzung: Polarisationsladungen Mögliche Ergänzung: Fehlerrechnung bei der Berechnung von 𝐸. beschreiben qualitativ die Erzeugung eines Elektronenstrahls in einer Elektronenstrahlröhre (UF1, K3). Experiment (V1): Änderung der Spannung zwischen zwei Kondensatorplatten beim Auseinanderziehen ermitteln die Geschwindigkeitsän- Experiment (V2): Messung der Elektrische Spannung, Elektronenkanone, Spannung und Feldstärke im homogenen Feld derung eines Ladungsträgers nach Durchlaufen einer Spannung (auch relativistisch) (UF2, UF4, B1) Feldstärke in einem Kondensator leiten physikalische Gesetze (Beziehung zwischen Spannung und Feldstärke im homogenen elektrischen Feld) aus geeigneten Definitionen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2). Entscheiden bei Problemstellungen aus der Elektrik, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorgehen sinnvoller ist (B4, UF2, E1). wählen physikalische Gesetze (Spannung im homogenen E-Feld) problembezogen aus (UF2). Die braunsche Röhre (2 Ustd.) 26 – 27 beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung von Ladungsträgern in homogenen elektrischen Feldern (E1, E2, E3, E4, E5, UF1, UF4). Experiment (B1): Sichtbarmachen eines Tons mit einem Oszilloskop Experiment (B3): Ablenkung von Elektronen im Feld eines Plattenkondensators Simulation: die braunsche Röhre (CD) Kondensatoren, Kapazität (4 Ustd.) 28 – 31 beschreiben qualitativ und quantitativ bei vorgegebenen Lösungsansätzen Ladungs- und Entladungsvorgänge in Kondensatoren (E4, E5, E6). treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, 9 Experiment (S. 28, V1): Messung der Ladung eines Kondensators in Abhängigkeit von der Spannung Experiment (S. 28, V2): Messung der Ladung eines Kondensators, zwischen dessen Platten man eine Glasplatte gebracht hat, in Abhängigkeit von der Spannung Oszilloskop als Beispiel eines Gerätes, das eine braunsche Röhre enthält, Bahn des Elektronenstrahls Mögliche Ergänzung: Entstehung des stehenden Bildes beim Oszilloskop Kapazität eines Kondensators, Permittivität, Kondensatorentladung (qualitativ und quantitativ), Halbwertszeit Mögliche Ergänzung: Kondensatoren bei der Fahrradbeleuchtung Mögliche Ergänzung: Kugeln als Energie elektrischer Felder (2 Ustd.) 32 – 33 Genauigkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung (B1). Experiment (S. 30, V1): Messung der Spannung bei der Entladung eines Kondensators) wählen begründet mathematische Werkzeuge zur Darstellung und Auswertung von Messwerten im Bereich der Elektrik (auch computergestützte graphische Darstellungen, Linearisierungsverfahren, Kurvenanpassungen), wenden diese an und bewerten die Güte der Messergebnisse (E5, B4). Simulation: Kondensatorentladung (CD) ermitteln die in elektrischen Feldern gespeicherte Energie (Kondensator) (UF2). Experiment (V1): Heben eines Gewichtsstückes mit der im Kondensator gespeicherten Energie Kondensatoren, Mögliche Ergänzung: Schaltung von Kondensatoren Mögliche Ergänzung: Kondensatoren in Labor und Technik Simulation: Kondensatoraufladung (CD) Energie eines geladenen Kondensators Mögliche Ergänzung: Energiedichte Mögliche Ergänzung: Berechnung der Feldkraft aus Feldenergie Bestimmung der Elementarladung (4 Ustd.) 34 – 35 Experiment (B1): MillikanExperiment Bestimmung der Elementarladung mit dem Millikanexperiment Simulation: Auswertung des Millikanexperiments (CD) Mögliche Ergänzung: Zusammenhang zwischen Gewichtskraft und Sinkgeschwindigkeit von Tröpfchen in Luft Excel-Datei: Messdaten eines Millikan-Schulversuchs (xls-3007) Magnetismus - Bekanntes aus der Mittelstufe (2 Ustd.) 44 – 45 erläutern den Feldbegriff und zeigen dabei Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Gravitationsfeld, elektrischem und magnetischem Feld auf (UF3, E6). erläutern und veranschaulichen die Aussagen, Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodellen, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschaulichung typischer Felder 10 Experiment: Sichtbarmachen von Feldlinien mit Magnetnadeln und Eisenfeilspänen Experiment: Oersted-Versuch Bekanntes aus der Mittelstufe: Eigenschaften von Magneten, magnetisches Feld, Feldlinien, Vergleich zwischen Magnetismus und Elektrizität, Magnetfeld eines stromführenden Drahtes und interpretieren Feldlinienbilder (K3, E6, B4). Ein Maß für das Magnetfeld (4 Ustd.) 46 – 47 bestimmen die relative Orientierung von Bewegungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeldrichtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe einer Der-FingerRegel (UF2, E6). beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener magnetischer Felder und erläutern die Definitionsgleichung der magnetischen Flussdichte (UF2, UF1). wählen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Größen sowie physikalische Gesetze (Kraft auf einen Strom führenden Leiter im Magnetfeld) problembezogen aus (UF2). treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genauigkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung (B1). erstellen, bei Variation mehrerer Parameter, Tabellen und Diagramme zur Darstellung von Messwerten aus dem Bereich der Elektrik (K1, K3, UF3). wählen begründet mathematische Werkzeuge zur Darstellung und Auswertung von Messwerten im Bereich der Elektrik (auch computergestützte graphische Darstellungen, Linearisierungsverfahren, 11 Experiment (B1): Kraft auf einen Strom führenden Leiter in einem Magnetfeld Experiment (B2): Ablenkung eines Elektronenstrahls in einem Magnetfeld Experiment (B4): Messung der Kraft auf ein Strom führendes Drahträhmchen in einem Magnetfeld Simulationen: Bewegungen mit Lorentzkräften (CD) Lorentzkraft, Drei-Finger-Regel, magnetische Flussdichte Kurvenanpassungen), wenden diese an und bewerten die Güte der Messergebnisse (E5, B4). erläutern an Beispielen den Stellenwert experimenteller Verfahren bei der Definition physikalischer Größen (magnetische Flussdichte) und geben Kriterien zu deren Beurteilung an (z.B. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Unabhängigkeit von Ort und Zeit) (B1, B4). Lorentzkraft und Halleffekt (3 Ustd.) 48 – 51 wählen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Größen sowie physikalische Gesetze (Lorentzkraft) problembezogen aus (UF2). Experiment (S. 50, V1): Messung der Flussdichte im Inneren von Spulen Experiment (S. 50, V2): Messung der Flussdichte im Inneren von leiten physikalische Gesetze (Term schlanken Spulen in Abhängigkeit für die Lorentzkraft) aus geeignevon Stromstärke und Spulenlänge ten Definitionen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2). beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung von Ladungsträgern in gekreuzten Feldern (Halleffekt) (E1, E2, E3, E4, E5, UF1, UF4). Elektronen im Magnetfeld (3 Ustd.) 56 – 59 beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung von Ladungsträgern in homogenen magnetischen Feldern (E1, E2, E3, E4, E5, UF1, UF4) leiten physikalische Gesetze aus geeigneten Definitionen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2). schließen aus spezifischen Bahn- 12 Formel für die Lorentzkraft, Halleffekt , Hallkonstante Mögliche Ergänzung: Hallsonden Mögliche Ergänzung: Magnetfeld einer schlanken Spule Mögliche Ergänzung: Hallsensoren Mögliche Ergänzung: Klassische Erklärung der Leitfähigkeit von Metallen Mögliche Ergänzung: Driftgeschwindigkeit Experiment (V1): 𝑒/𝑚Bestimmung mit dem Fadenstrahlrohr Simulation: Kreisbahn im homogenen Magnetfeld (CD) GeoGebra-Datei: Simulation zum Fadenstrahlrohr (ggb-3012) Bestimmung der spezifischen Elektronenladung im Fadenstrahlrohr, relativistische Berechnung der Elektronengeschwindigkeit bei Durchlaufen einer Spannung Mögliche Ergänzung: Elektronen auf Schraubenbahnen im Magnetfeld Mögliche Ergänzung: magnetische Flasche kurvendaten bei der 𝑒/𝑚Bestimmung auf wirkende Kräfte sowie Eigenschaften von Feldern und bewegten Ladungsträgern (E5, UF2). Mögliche Ergänzung: Polarlicht und Strahlungsgürtel Mögliche Ergänzung: magnetische Linsen Mögliche Ergänzung: Elektronenmikroskop E- und B-Feld im Verbund (3 Ustd.) 60 – 62 schließen aus spezifischen Bahnkurvendaten beim Massenspektrometer auf wirkende Kräfte sowie Eigenschaften von Feldern und bewegten Ladungsträgern (E5, UF2). erläutern den Einfluss der relativistischen Massenzunahme auf die Bewegung geladener Teilchen im Zyklotron (E6, UF4). 13 Simulation: Zyklotron (CD) Simulation: Protonen-Synchroton (CD) Simulation: Betatron (CD) Geschwindigkeitsfilter, Massenspektrometer, Zyklotron Mögliche Ergänzung: Ring- und Linearbeschleuniger Unterrichtsvorhaben III Kontext: Elektrische Energie gewinnen und verteilen Buchseiten: 65 – 71, 78 – 83 Zeitbedarf: etwa 15 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Elektromagnetische Induktion Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimente und Simulationen erklären oder vorhersagen. (K1) bei der Dokumentation von Untersuchungen, Experimenten, theoretischen Überlegungen und Problemlösungen eine korrekte Fachsprache und fachübliche Darstellungsweisen verwenden. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Ändern des magnetischen Flusses (7 Ustd.) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … 66 - 69 führen das Auftreten einer Induktionsspannung auf die zeitliche Änderung der von einem Leiter überstrichenen gerichteten Fläche in einem Magnetfeld zurück (E1, E6, UF4). identifizieren Induktionsvorgänge aufgrund der zeitlichen Änderung der magnetischen Flussdichte 𝐵 in Anwendungs- und Alltagssituationen (E1, E6, UF4) planen und realisieren Experimente zum Nachweis der Teilaussagen des Induktionsgesetzes (E2, E4, E5). treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, 14 Experimente und Materialien Kommentar Experiment (V1, V5): Induktion durch Hineinführen einer Leiterschleife in ein Magnetfeld (Leiterschleife orthogonal zu den Feldlinien) Magnetischer Fluss, Induktion durch Änderung des magnetischen Flusses, Induktionsgesetz Mögliche Ergänzung: elektrische Wirbelfelder Experiment (V2): Induktion Mögliche Ergänzung: Zusammendurch Näherung einer Leiterschleihang zwischen Lorentzkraft und fe an einen Elektromagneten Induktion Experiment (V3, V4): Induktion durch Flussdichteänderung Simulation: Rahmen fällt in 𝐵Feld (CD) Simulation: Induktion Flussdichteänderung (CD) durch Genauigkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung (B1). erstellen, bei Variation mehrerer Parameter, Tabellen und Diagramme zur Darstellung von Messwerten aus dem Bereich der Elektrik (K1, K3, UF3). Energieerhaltung und lenzsches Gesetz (4 Ustd.) 70 - 71 begründen das lenzsche Gesetz Experiment (V1): thomsonscher mithilfe der Energie- und des Ringversuch Wechselwirkungskonzeptes (E6, Experiment (V2): Änderung der K4), Stromstärke in einer Spule durch bestimmen die Richtungen von Hineinschieben oder Herausziehen Induktionsströmen mithilfe des eines Eisenkerns lenzschen Gesetzes (UF2, UF4, E6). Gedankenexperiment zur Energieerhaltung bei der Induktion, Formulierung des lenzschen Gesetzes, thomsonscher Ringversuch zur Überprüfung des lenzschen Gesetzes, Berücksichtigung des lenzschen Gesetzes im Induktionsgesetzes durch ein Minuszeichen Energie des Magnetfeldes (1 Ustd.) 78 – 79 ermitteln die in magnetischen Feldern gespeicherte Energie (Spule) (UF2). Energie des Magnetfeldes einer Spule Experiment (V1): Heben eines Gewichtsstückes mit der in einer Spule gespeicherten Energie Mögliche Ergänzung: Herleitung der Formel für die Energie des Magnetfeldes Mögliche Ergänzung: Energiedichte Wechselspannung (3 Ustd.) 80 – 83 führen das Auftreten einer Induktionsspannung auf die zeitliche Änderung der von einem Leiter überstrichenen gerichteten Fkäche in einem Magnetfeld zurück (E1, E6, UF4). Experiment (V1): Generatorprinzip Erzeugung einer sinusförmigen Wechselspannung Mögliche Ergänzung: Darstellung mit Zeigern Mögliche Ergänzung: ohmscher Widerstand bei Wechselspannung Mögliche Ergänzung: umgesetzte Leistung bei Wechselstrom Mögliche Ergänzung: Effektivwert der Wechselspannung 15 Mögliche Ergänzung: Transformator 16 Unterrichtsvorhaben IV Kontext: Drahtlose Nachrichtenübermittlung Buchseiten: 102 – 107, 152 – 161, 164 - 167 Zeitbedarf: etwa 20 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimente und Simulationen erklären oder vorhersagen. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Elektromagnetische Schwingung (4 Ustd.) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … 102 – 103 erläutern qualitativ die bei einer ungedämpften elektromagnetischen Schwingung in der Spule und am Kondensator ablaufenden physikalischen Prozesse (UF1, UF2). Experimente und Materialien Kommentar Experiment (V1): Messung von Vorgänge im elektromagnetischen Spannung und Stromstärke beim Schwingkreis, Vergleich mechanigedämpften Schwingkreis scher und elektromagnetischer Schwingungen erläutern die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen, erstellen aussagekräftige Diagramme und werten diese aus (E2, E4, E5, B1). beschreiben den Schwingvorgang im RLC-Kreis qualitativ als Energieumwandlungsprozess und benennen wesentliche Ursachen für die Dämpfung (UF1, UF2, E5). Schwingungen und ihre Differentialgleichungen (2 Ustd.) 17 104 - 107 Simulation: Resonanz (CD) Simulation: (CD) Einschwingvorgang Thomsonsche Schwingungsgleichung Mögliche Ergänzung: erzwungene Schwingungen und Resonanz Mögliche Ergänzung: schrittweise Berechnung mit dem Computer Mögliche Ergänzung: Gesetze der Reihenschaltung nach dem Einschwingen Vom Schwingkreis zum strahlenden Dipol (5 Ustd.) 152 – 155 beschreiben den Hertz-Dipol als (offenen) Schwingkreis (UF1, UF2, E6). Experiment (S. 152, V1): Drei- Erzeugung hochfrequenter punktschaltung zur Erzeugung Schwingungen, Hertz-Dipol, hoher Frequenzen Wechselfelder Experiment (S. 152, V2): Nach- Mögliche Ergänzung: Der weis der Oszillatorschwingung mit Schwingquarz einem Prüfkreis Experiment (S. 153, B4): 400 MHz-Oszillator Experiment (S. 154, V1): HertzDipol Experiment (S. 155, V2): Experiment mit Sende- und Empfangsdipol Elektromagnetische Wellen erobern den Raum (5 Ustd.) 18 156 - 161 erläutern qualitativ die Entstehung eines elektrischen bzw. magnetischen Wirbelfeldes bei 𝐵- bzw. 𝐸Feldänderung und die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle (UF1, UF4, E6) Experiment (S. 156, V1): Interfe- Elektromagnetische Wellen, Verrenz bei elektromagnetischen Wel- anschaulichung der Ergebnisse len MAXWELLs, Geschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle, Experiment (S. 156, V2): stehenelektromagnetische Felder im de elektromagnetische Wellen Raum um einen Dipol Experiment (S. 156, V3): ErzeuMögliche Ergänzung: Eigenfregung eines elektrischen Feldes quenzen bei schwingenden Stäben durch Bewegung eines Magneten Mögliche Ergänzung: elektromagExperiment (S. 159, V1): Nachnetische Wellen in Materie weis stehender elektromagnetiMögliche Ergänzung: der Mikroscher Wellen am 𝜆/2-Dipol wellenherd Experiment (S. 159, V2): StehenMögliche Ergänzung: Zentimeterde Wellen auf einem Kupferstab Experiment (S. 160, V1, V2): wellen vom Mars-Express stehende elektromagnetische WelMögliche Ergänzung: Radarlen in Wasser Geschwindigkeitsmessung Elektromagnetische Wellen übertragen Daten (4 Ustd.) 19 164 – 167 erläutern anhand schematischer Darstellungen Grundzüge der Nutzung elektromagnetischer Trägerwellen zur Übertragung von Informationen (K2, K3, E6) V1): Digitale und analoge Datenübertragung, Amplitudenmodulation und –demodulation. FrequenzmoExperiment (S. 165, V2): Registdulation und –demodulation, Anrierung der Amplitudenänderung wendungen Experiment (S. 165, V3): Mögliche Ergänzung: digitaler Amplitudendemodulation Mobilfunk Experiment (S. 166, V1): Mögliche Ergänzung: GSM - GloAmplituden- und Frequenzmodubal System of Mobile Communicalation tion Experiment (S. 166, V2): Frequenzmodulation Experiment (S. 164, Amplitudenmodulation Unterrichtsvorhaben V Kontext: Interferenzphänomene Buchseiten: 173 – 195 Zeitbedarf: etwa 25 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (UF1) physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern. (UF2) zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen. (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimente und Simulationen erklären oder vorhersagen. (K3) physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Interferenz mit zwei Sendern (4 Ustd.) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … 174 – 177 Experimente und Materialien beschreiben qualitativ die lineare Ausbreitung harmonischer Wellen als räumlich und zeitlich periodischen Vorgang (UF1, E6). Experiment (S. 174, V1): Überla- Interferenz bei Wasser- und gerung von Kreiswellen in der Schallwellen, Knotenpunkte und Wellenwanne Knotenlinien, Kohärenz, Phasendifferenz und Wegunterschied Experiment (S. 175, V2): Interfeerläutern konstruktive und destruk- renz bei Schallwellen Mögliche Ergänzung: Bestimmen tive Interferenz sowie die entspreder Wellenlänge von Ultraschall Simulation: Interferenzbild (CD) chenden Bedingungen mithilfe Mögliche Ergänzung: Vergleich Simulationen: Zwei-Sendergeeigneter Darstellungen (K3, von Sinuslinie und Zeiger Interferenz (CD) UF1). Excel-Datei: Simulation einer Zweiquellen-Interferenz mit einstellbaren Parametern (xls-3001) Experiment (S. 176, V1): Bestimmung der Wellenlänge von Ultraschall 20 Kommentar Interferenz beim Doppelspalt (5 Ustd.) 178 - 179 beschreiben die Phänomene Beugung und Interferenz im Wellenmodell und begründen sie qualitativ mithilfe des HUYGENS-Prinzips (UF1, E6). ermitteln auf der Grundlage von Beugungs- und Interferenzerscheinungen (mit Mikrowellen) die Wellenlänge (E2, E4, E5). Experiment (V1): Beugung bei Beugung bei Wasser- und MikroWasserwellen wellen, das HUYGENS-Prinzip, Doppelspalt mit Wasser- und MikExperiment (V2): Beugung bei rowellen, Bestimmung der WelMikrowellen lenlänge von Mikrowellen Experiment (V3): Doppelspalt bei Mikrowellen erläutern konstruktive und destruktive Interferenz sowie die entsprechenden Bedingungen mithilfe geeigneter Darstellungen (K3, UF1). Doppelspalt mit Licht (5 Ustd.) 180 – 183 beschreiben die Phänomene Beugung und Interferenz im Wellenmodell und begründen sie qualitativ mithilfe des HUYGENS-Prinzips (UF1, E6). erläutern konstruktive und destruktive Interferenz sowie die entsprechenden Bedingungen mithilfe geeigneter Darstellungen (K3, UF1). beschreiben die Interferenz am Doppelspalt im Wellenmodell und leiten die entsprechenden Terme für die Lage der jeweiligen Maxima 𝑛-ter Ordnung her (E6, UF1, UF2). Experiment (V1): Doppelspaltex- Beugung und Interferenz am Dopperiment pelspalt, Herleitung von Formeln für die Lage der Maxima und MiExperiment (S. 182, B3): Dopnima, Wellenlängenbestimmung pelspaltexperiment mit verschiemittels Richtungswinkel und Streidenfarbigen Lichtquellen fenabstand, Farbe und WellenlänExperiment (S. 182, B4): Dop- ge pelspaltexperiment mit weißer Mögliche Ergänzung: Intensität Lichtquelle und Amplitude Simulation: Beugung am DoppelMögliche Ergänzung: Zweispalt (CD) Sender-Interferenz mit Aufteilung der Wellenfront erzeugen und mit Wellentheorie genau erklären. ermitteln auf der Grundlage von Beugungs- und Interferenzerscheinungen (mit Licht) die Wellenlänge (E2, E4, E5). Gitter (6 Ustd.) 21 184 - 187 beschreiben die Phänomene Beu- Experiment (S. 184, V1): Interfe- Beugung und Interferenz beim gung und Interferenz im Wellenmodell und begründen sie qualitativ mithilfe des HUYGENS-Prinzips (UF1, E6). renz bei Gittern mit verschiedener Gitter, Herleitung von Formeln für Spaltzahl die Lage der Maxima und Minima, Wellenlängenbestimmung, Vorteil Experiment (S. 186, V1): Gitterdes Gitters gegenüber dem Dopspektrum einer Natriumdampfpelspalt, Gitterspektren erläutern konstruktive und destruk- Lampe tive Interferenz sowie die entspreMögliche Ergänzung: CD als ReExperiment (S. 186, V1): Gitterchenden Bedingungen mithilfe flexionsgitter und der Informatispektrum von weißem Glühlicht geeigneter Darstellungen (K3, onsgehalt einer CD Experiment (S. 187, V3): BeUF1). obachtung eines Gitterspektrums beschreiben die Interferenz am ohne Schirm Gitter im Wellenmodell und leiten Simulation: Beugung am Gitter die entsprechenden Terme für die Lage der jeweiligen Maxima 𝑛-ter (CD) Ordnung her (E6, UF1, UF2). Excel-Datei: Simulation eines ermitteln auf der Grundlage von Beugungs- und Interferenzerscheinungen (mit Licht) die Wellenlänge (E2, E4, E5). Beugung am Einzelspalt 188 – 193 Lichtgeschwindigkeit und Brechung (4 Ustd.) 194 - 195 Experiment (V1): Beugung und Beugung und Interferenz am EinInterferenz am Einzelspalt zelspalt, Herleitung von Formeln für die Lage der Minima, ResthelExperiment (V2): Aufnahme eines ligkeiten, Bedeutung des EinIntensitätsdiagramms zelspalts beim Doppelspalt Simulation: Beugung am EinzelBedeutung des Einzelspalts bei der spalt (CD) Lochkamera beschreiben die Phänomene Reflexion und Brechung im Wellenmodell und begründen sie qualitativ mithilfe des Huygens-Prinzips (UF1, E6). ermitteln auf der Grundlage von Brechungserscheinungen die Lichtgeschwindigkeit (E2, E4, E5). 22 Intensitätsdiagramms bei der Beugung am Mehrfachspalt (xls-3002) Experiment (V1): Messung der Messung der LichtgeschwindigLichtgeschwindigkeit aus Lauf- keit, das vollständige HUYGENSzeitunterschieden Prinzip, Erklärung der Brechung mit dem HUYGENS-Prinzip, BreExperiment (V2): Brechung von chungsgesetz Wasserwellen Zusätzlich zu dem Inhalt des Buches muss auch die Reflexion mit dem HUYGENS-Prinzip erklärt werden. Unterrichtsvorhaben VI Kontext: Von klassischen Vorstellungen zur Quantenphysik Buchseiten: 265 – 269, 212 – 215, 270 - 287 Zeitbedarf: etwa 25 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Licht und Elektronen als Quantenobjekte, Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlichkeitsinterpretation, Quantenphysik und klassische Physik Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimetne und Simulationen erklären oder vorhersagen. (E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen. (K2) zu physikalischen Fragestellungen relevante Informationen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in ausgewählten wissenschaftlichen Publikationen, recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen. (K4) sich mit anderen über physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse kritisch-konstruktiv austauschen und dabei Behauptungen oder Beurteilungen durch Argumente belegen bzw. wiederlegen. (B4) begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Fotoeffekt (lichtelektrischer Effekt) (3 Ustd.) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … 266 – 267 beschreiben und erläutern Aufbau und Funktionsweise von komplexen Versuchsaufbauten (K3, K2). erläutern die Vorhersagen der klassischen Elektrodynamik zur Energie von Fotoelektronen (bezogen auf die Frequenz und Intensität des Lichts) (UF2, E3). erläutern den Widerspruch der experimentellen Befunde zum Fotoeffekt zur klassischen Physik und nutzen zur Erklärung die ein- 23 Experimente und Materialien Kommentar Experiment (V1): HallwachsExperiment Fotoeffekt, Gegenfeldmethode, Planck-Konstante, Ablöseenergie, Grenzfrequenz, Widersprich zur klassischen Physik Experiment (V2): ℎ-Bestimmung mit der Gegenfeldmethode Videos: Hallwachs-Experiment mit und ohne Glasscheibe (mov3003, mov-3004, mov-3005) steinsche Lichtquantenhypothese (E6, E1). diskutieren und begründen das Versagen der klassischen Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse (K4, E6). ermitteln aus den experimentellen Daten eines Versuchs zum Fotoeffekt die Planck-Konstante (E5, E6). Photonen sind unteilbare Energiequanten (2 Ustd.) 268 - 269 diskutieren das Auftreten eines Paradigmenwechsels in der Physik am Beispiel der quantenmechanischen Beschreibung von Licht im Vergleich zur Beschreibung im klassischen Modell (B2, E7). Experiment (V1): Messung des Fotostroms in Abhängigkeit von der Gegenspannung Quotisierung der Lichtenergie, Photonen Experiment (V2): Messung der Photonenanzahl bewerten den Einfluss der Quantenphysik im Hinblick auf Veränderungen des Weltbildes und auf Grundannahmen der klassischen Physik (B4, E7). legen am Beispiel des Fotoeffekts und seiner Deutung dar, dass neue physikalische Experimente und Phänomene zur Veränderung des physikalischen Weltbildes bzw. zur Erweiterung oder Neubegründung physikalischer Theorien und Modelle führen können (E7). Röntgenstrahlung (3 Ustd.) 212 - 215 beschreiben den Aufbau einer Röntgenröhre (UF1). erläutern die Bragg-Reflexion an einem Einkristall und leiten die braggsche Reflexionsbedingung her (E6). 24 Experiment (S. 212, V1): Erzeugung von Schattenbildern verschiedener Materialien Experiment (S. 212, V2): Ionisation mit Röntgenstrahlung Experiment (S. 213, V3): Refle- Entdeckung der Röntgenstrahlung, Aufbau einer Röntgenröhre, Welleneigenschaften der Röntgenstrahlung, Interferenz an Streuzentren einer Ebene, BraggReflexion, kontinuierliches und charakteristisches Röntgenspekt- xion von Mikrowellen an einer zum Teil mit Alu-Folie bedeckten Styroporplatte Experiment (S. 214, V1): Aufnahme eines Röntgenspektrums mit der Drehkristallmethode Umkehrung des Fotoeffekts, Röntgenstrahlung (3 Ustd.) 270 – 271 erklären die Entstehung des Bremsspektrums der Röntgenstrahlung (UF1). rum Mögliche Ergänzung: Von der Strukturforschung mit Röntgenstrahlen zur Entschlüsselung der DNS Experiment (V1): Aufnahme eines Röntgenspektrums mit der Drehkristallmethode Photonen der Röntgenstrahlung, Umkehrung des Fotoeffekts in Leuchtdioden, Quantenphysik in der Medizin Simulation: Compton-Effekt (CD) Masse und Impuls der Photonen, deuten die Entstehung der kurzwelligen Röntgenstrahlung als Umkehrung des Fotoeffekts (E6). stellen die physikalischen Grundlagen von Röntgenaufnahmen als bildgebende Verfahren dar (UF4). Masse und Impuls der Photonen; ComptonEffekt (1 Ustd.) 272 – 273 Das Photon als Quantenobjekt (4 Ustd.) 274 – 277 Mögliche Ergänzung: ComptonEffekt diskutieren und begründen das Versagen der klassischen Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse (K4, E6). erläutern die Aufhebung des Welle-Teilchen-Dualismus durch die Wahrscheinlichkeitsinterpretation (UF1, UF4). erläutern die Bedeutung von Gedankenexperimenten und Simulationsprogrammen zur Erkenntnisgewinnung bei der Untersuchung von Quantenobjekten (E6, E7). stellen anhand geeigneter Phänomene dar, wann Licht durch ein Wellenmodell bzw. durch ein 25 Experiment (V1): TaylorExperiment Simulation: Quanteninterferenz an Spalten – Vergleich mit klassischen Teilchen (CD) Simulation: Knallertest an Interferometern (CD) Simulation: Welcher-Weg-Frage (CD) Taylor-Experiment, Antreffwahrscheinlichkeit und Wahrscheinlichkeits-Amplituden, WelleTeilchen-Dualismus, Superpositionsprinzip, Knallertest, Nichtlokalität, Unbestimmtheit, Nichtobjektivierbarkeit, Welcher-Weg-Frage, Komplementaritätsprinzip Teilchenmodell beschrieben werden kann (UF1, K3, B1). erläutern bei Quantenobjekten das Auftreten oder Verschwinden eines Interferenzmusters mit dem Begriff der Komplementarität (UF1, E3). führen Recherchen zu komplexeren Fragestellungen der Quantenphysik durch und präsentieren ihre Ergebnisse (K2, K3). Modelle in der Physik 278 Elektronenbeugung und de Broglie-Wellenlänge (5 Ustd.) 280 – 283 Realität, Messung und Symbole, Grenzen der Modelle der klassischen Physik erklären die de-Broglie-Hypothese Experiment (B1): Elektronenbeuam Beispiel von Elektronen (UF1). gungsröhre beschreiben und erläutern Aufbau und Funktionsweise von komplexen Versuchsaufbauten (K3, K2). interpretieren experimentelle Beobachtungen an der Elektronenbeugungsröhre mit den Welleneigenschaften von Elektronen (E1, E5, E6). diskutieren und begründen das Versagen der klassischen Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse (K4, E6). diskutieren das Auftreten eines Paradigmenwechsels in der Physik am Beispiel der quantenmechanischen Beschreibung von Elektronen im Vergleich zur Beschreibung im klassischen Modell (B2, 26 Simulation: Ketterle-Experiment (CD) De Broglie-Wellenlänge, Experiment zur Elektronenbeugung, 𝛹Welle, Mögliche Ergänzung: die de Broglie-Welle beim Elektronenstrahl Mögliche Ergänzung: Fullerenbälle Mögliche Ergänzung: Vergleich Photon - Elektron E7). bewerten den Einfluss der Quantenphysik im Hinblick auf Veränderungen des Weltbildes und auf Grundannahmen der klassischen Physik (B4, E7). deuten das Quadrat der Wellenfunktion qualitativ als Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen (UF1, UF4). Die Unbestimmtheitsrelation (UBR) (2 Ustd.) 284 – 285 erläutern die Aussagen und die Konsequenzen der heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation (Ort – Impuls, Energie – Zeit) an Beispielen (UF1, K3). Die Planck-Konstante bestimmt das Geschehen (2 Ustd.) 286 - 287 erläutern die Aussagen und die Konsequenzen der heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation (Ort – Impuls, Energie – Zeit) an Beispielen (UF1, K3). 27 Simulationen: Unbestimmtheitsrelation an de Broglie-Wellen (CD) Heisenbergs Unbestimmtheitsrelation, Experimente zur Unbestimmtheit, Welcher-Weg-Frage Lokalisationsenergie, Unbestimmtheit der Bahn, stationäre Quantenzustände Mögliche Ergänzung: Philosophisches Unterrichtsvorhaben VII Kontext: Geschichte der Atommodelle Buchseiten: 288 - 303 Zeitbedarf: etwa 10 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Atomaufbau, Ionisierende Strahlung Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (E5) Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären und vorhersagen. (E7) naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … Die Erforschung des Atoms; bohrsches Atommodell (2 Ustd.) 288 - 289 geben wesentliche Schritte in der historischen Entwicklung der Atommodelle bis hin zum KernHülle-Modell wieder (UF1). Die Energie im Atom ist quantisiert, FranckHertz-Experiment (2 Ustd.) 290 – 291 erklären den Franck-HertzVersuch mit der Energiequantelung in der Atomhülle (E5). stellen die Bedeutung des FranckHertz-Versuchs in Bezug auf die historische Bedeutung des bohrschen Atommodells dar (E7). Experimente und Materialien Kommentar Atommodelle von Dalton bis Bohr Experiment (V1): Franck-HertzVersuch Programm: Simulation zum Franck-Hertz-Versuch (CD, exe3017) Franck-Hertz-Versuch und Interpretation, Energieniveaus, Quantensprünge, Resonanzfloreszenz Experiment (V2): Resonanzfluoreszenz formulieren geeignete Kriterien zur Beurteilung des bohrschen Atommodells aus der Perspektive der klassischen und der Quantenphysik (B1, B4). Der hohe, lineare Potentialtopf (2 Ustd.) 28 292 – 293 ermitteln die Wellenlänge und die Energiewerte von im linearen Po- Simulation: Quantenpferch (CD) Stationäre Zustände eingesperrter Elektronen, Energie im Potential- tentialtopf gebundenen Elektronen (UF2, E6). Wo zeigt sich die Quantisierung der Energie? (3 Ustd.) 294 - 295 erklären Linienspektren in Emission und Absorption mit der Energiequantelung in der Atomhülle (E5). stellen die Bedeutung der Experimente zu Linienspektren in Bezug auf die historische Bedeutung des bohrschen Atommodells dar (E7). topf Experiment (S. 294, V1): Beobachtung von Fluoreszenz bei rotem Farbstoff Farbstoffe, Fluoreszenz, Absorptionslinien, Phosphoreszenz, Wirkung von Experiment (S. 295, V2): Beobachtung von Fluoreszenz bei Fluorescein Treibhausgasen Experiment (S. 295, V3): Beobachtung des Spektrums einer Leuchtstoffröhre Experiment (S. 296, V1): Beobachtung eines Absorptionsspektrums (NaCl) Wasserstoffatom (1 Ustd.) 300 - 303 erklären die Entstehung des charakteristischen Spektrums der Röntgenstrahlung (UF1). Experiment (V1): Beobachtung von Balmerlinien mit einem optischen Gitter Simulation: Eigenwerte und Eigenfunktionen (CD) 29 Charakteristische Röntgenspektren Mögliche Ergänzung: Wasserstoffatom (Schrödinger-Gleichung, Eigenfunktionen und Eigenwerte , Schalenmodell, Lymanserie, Balmerserie, Grenzkontinuum) Unterrichtsvorhaben VIII Kontext: Mensch und Strahlung Buchseiten: 361 - 408 Zeitbedarf: etwa 30 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Ionisierende Strahlung, Radioaktiver Zerfall, Kernspaltung und Kernfusion Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren. (UF4) Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen. (B1) fachliche, wirtschaftlich-politische Sachverhalte und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterschieden und begründet gewichten. (B3) an Beispielen von Konfliktsituationen mit physikalisch-technischen Hintergründen kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und bewerten. Inhalt Buchseiten (Ustd. à 45 min) Grundlagen (1 Ustd.) Kompetenzen Die Schülerinnen und Schüler … 362 - 363 Experimente und Materialien benennen Protonen und Neutronen als Kernbausteine (UF1). Kommentar Aufbau der Atomkerne, Begriffe (Protonen, Neutronen, Nukleonen, Nukleonenzahl, Kernladungszahl, Ordnungszahl, Nuklid, Isotop), Nachweis radioaktiver Strahlung (Zählrohr, Nebelkammer), α-, β- und γ-Strahlung benennen das Geiger-MüllerZählrohr als experimentelle Nachweismöglichkeit für ionisierende Strahlung (E6). Mögliche Ergänzung: Zählstatistik 𝜶-Strahlung (2 Ustd.) 364 – 365 erklären die Ablenkbarkeit von ionisierender Strahlen in elektrischen und magnetischen Feldern sowie die Ionisierungsfähigkeit und Durchdringungsfähigkeit mit ihren Eigenschaften (UF3). benennen den Halbleiterdetektor als experimentelle Nachweismög- 30 Experiment (B1): Beobachtung von Spuren von 𝛼-Teilchen in der Nebelkammer Experiment (V1): Aufnahme des Energiespektrums eines 𝛼Strahlers mit Halbleiterdetektor und Impulshöhenanalysator Untersuchung von 𝛼-Strahlung mit der Nebelkammer, Reichweite, Energiespektrum, Halbleiterdetektor, Impulshöhenanalysator Zusätzlich zu dem Inhalt des Buches muss auch die Ablenkbarkeit der 𝛼-Strahlung in elektrischen und magnetischen Feldern behan- lichkeit für ionisierende Strahlung und unterscheiden Geiger-MüllerZählrohr und Halbleiterdetektor hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur Messung von Energien (E6). 𝜷-Strahlung (2 Ustd.) 366 – 367 erklären die Ablenkbarkeit von ionisierender Strahlen in elektrischen und magnetischen Feldern sowie die Ionisierungsfähigkeit und Durchdringungsfähigkeit mit ihren Eigenschaften (UF3). delt werden. Experiment (B1): Beobachtung von Spuren von 𝛼-Teilchen in der Nebelkammer Experiment (V1): Aufnahme des Energiespektrums eines 𝛼Strahlers mit Halbleiterdetektor und Impulshöhenanalysator Untersuchung von 𝛽-Strahlung mit dem magnetischen 𝛽Spektrometer, Energiespektrum, Reichweite. Zusätzlich zu dem Inhalt des Buches muss auch die Ablenkbarkeit der β-Strahlung in elektrischen Feldern behandelt werden. Mögliche Ergänzung: Relativistische Rechnung 𝜸-Strahlung (2 Ustd.) 368 - 371 Energie der 𝛾Strahlung, Absorption in Materie und ihre Ursachen erklären die Ionisierungsfähigkeit und Durchdringungsfähigkeit mit ihren Eigenschaften (UF3). Mögliche Ergänzung: Szintillationszähler erläutern das Absorptionsgesetz für 𝛾-Strahlung, auch für verschiedenen Energien (UF3). Paarbildung und Zerstrahlung (2 Ustd.) 372 – 373 Mögliche Ergänzung: Absorption und Wahrscheinlichkeit beschreiben die Bedeutung der Energie-Masse-Äquivalenz hinsichtlich der Annihilation von Teilchen und Antiteilchen (UF4). Paarbildung, Zerstrahlung, Erhaltungssätze bestimmen und bewerten den bei der Annihilation von Teilchen und Antiteilchen frei werdenden Energiebetrag (E7, B1). Halbwertszeit (3 Ustd.) 374 – 377 leiten das Gesetz für den radioaktiven Zerfall einschließlich eines Terms für die Halbwertszeit her (E6). entwickeln Experimente zur Be- 31 Experiment (V1): Messung der Halbwertszeit von Rn-220 mit einer Ionisationskammer Zerfallsgesetz, Messung der Halbwertszeit, Aktivität, C-14Methode Experiment (V2): Messung der Halbwertszeit von Ba-137m mit Mögliche Ergänzung: Radioaktiver Zerfall und Wahrscheinlich- stimmung der Halbwertszeit radioaktiver Substanzen (E4, E5). erläutern in allgemeinverständlicher Form bedeutsame Größen der Dosimetrie (Aktivität) (K3). einem Zählrohr keit Simulation: Zerfallsgesetz (CD) Mögliche Ergänzung: Zahl der Atome in einem Präparat Mögliche Ergänzung: Bestimmung einer großen Halbwertszeit nutzen Hilfsmittel, um bei radioaktiven Zerfällen den funktionalen Zusammenhang zwischen Zeit und Abnahme der Stoffmenge sowie der Aktivität radioaktiver Substanzen zu ermitteln (K3). bestimmen mithilfe des Zerfallsgesetzes das Alter von Materialien mit der C-14-Methode (UF2). Biologische Wirkung ionisierender Strahlung (2 Ustd.) 378 - 379 beurteilen Risiken ionisierender Strahlung unter verschiedenen Aspekten (B4). erläutern in allgemeinverständlicher Form bedeutsame Größen der Dosimetrie (Energie- und Äquivalentdosis) (K3). Natürliche und zivilisatorische Strahlenexposition 380 – 381 Strahlenschäden - Strahlenschutz (2 Ustd.) 382 – 383 Weitere Strahlenexpositionen 32 384 – 385 Wirkung ionisierender Strahlen auf lebende Zellen, Dosimetrie Mögliche Ergänzung: Wirkungskette Mögliche Ergänzung: Ionisationsprozesse im Körper Interne und externe natürliche Strahlenexposition, zivilisatorische Strahlenexposition beurteilen Risiken ionisierender Strahlung unter verschiedenen Aspekten (B4). Deterministische und stochastische Strahlenwirkungen, Strahlenschutz, ALARA-Prinzip erläutern in allgemeinverständlicher Form bedeutsame Größen der Dosimetrie, auch hinsichtlich der Vorschriften zum Strahlenschutz (K3). Mögliche Ergänzung: Abschätzung der stochastischen Wirkung kleiner Dosen Externe Strahlenexposition durch eine 𝛾-Quelle, interne Strahlen- exposition durch Radionuklide Anwendung radioaktiver Nuklide (2 Ustd.) 386 - 387 beurteilen den Nutzen ionisierender Strahlung unter verschiedenen Aspekten (B4). Anwendungen der Absorption von Strahlung, Markierung mit radioaktiven Nukliden, Anwendung der Strahlenwirkung stellen die physikalischen Grundlagen von Szintigrammen als bildgebende Verfahren dar (UF4) Der Atomkern (3 Ustd.) 388 - 393 identifizieren Isotope und erläutern den Aufbau der Nuklidkarte (UF1). beurteilen die Bedeutung der Beziehung 𝑊 = 𝑚𝑐² für die Erforschung von Kernspaltung und Kernfusion (B1, B3). beschreiben Kernspaltung Kernfusion unter Berücksichtigung von Bindungsenergien (quantitativ) (UF4). bewerten den Massendefekt hinsichtlich seiner Bedeutung für die Gewinnung von Energie (B1). 𝜶-Zerfall (2 Ustd.) Simulation: Rutherford-Streuung (CD) Aufbau der Nuklidkarte, Bindungsenergie, Massendefekt, Kernspaltung und Kernfusion Mögliche Ergänzung: Rutherfordscher Streuversuch Mögliche Ergänzung: physikalische Eigenschaften des Atomkerns (Kernkraft, Radius, Dichte) Mögliche Ergänzung: Der Atomkern als Potentialtopf Mögliche Ergänzung: ein einfaches Kernmodell Vorgänge im Kern beim α-Zerfall 394 - 395 Mögliche Ergänzung: Erklärung des 𝛼-Zerfalls 𝜷-Zerfall (2 Ustd.) 396 - 397 identifizieren natürliche Zerfallsreihen mithilfe der Nuklidkarte (UF2). Vorgänge im Kern beim βZerfall, begleitende γ-Strahlung, Zerfallsreihen Mögliche Ergänzung: 𝛽-Zerfall im Potentialtopfmodell Kernreaktionen, Neutronen (1 Ustd.) 33 398 - 399 identifizieren künstlich herbeigeführte Umwandlungsprozesse Künstliche Kernumwandlungen Mögliche Ergänzung: Neutronen- Kernenergie (4 Ustd.) 400 - 404 mithilfe der Nuklidkarte (UF2). strahlen bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Erkenntnissen in der Kernphysik (B1) Erklärung der Kernspaltung im Tröpfchenmodell, Energiebilanz, Kettenreaktionen in der Atombombe und im Kernreaktor, Kernfusion, Kernkraftwerke (Entsorgung, Sicherheit, Umweltbelastung) beschreiben Kernspaltung Kernfusion unter Berücksichtigung von Kernkräften (qualitativ) (UF4). beurteilen die Bedeutung der Beziehung 𝑊 = 𝑚𝑐² für die technische Nutzung von Kernspaltung und Kernfusion (B1, B3). Mögliche Ergänzung: Aufbau und Funktionsweise von Kernkraftwerken Mögliche Ergänzung: Fusionsreaktoren erläutern die Entstehung einer Kettenreaktion als relevantes Merkmal für einen selbstablaufenden Prozess im Nuklearbereich (E6). beurteilen Nutzen und Risiken von Kernspaltung und Kernfusion anhand verschiedener Kriterien (B4). hinterfragen Darstellungen in Medien hinsichtlich technischer und sicherheitsrelevanter Aspekte der Energiegewinnung durch Spaltung und Fusion (B3, K4). Wissenschaft und Verantwortung 34 405 Verantwortung für die wissenschaftliche Arbeit und politische Entscheidungen Unterrichtsvorhaben IX Kontext: Elementarteilchenphysik Buchseiten: 410 - 415 Zeitbedarf: etwa 15 Ustd. à 45 Minuten Inhaltliche Schwerpunkte: Elementarteilchen und ihre Wechselwirkung Kompetenzschwerpunkte: Schülerinnen und Schüler können … (UF3) physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren. (E6) Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären und vorhersagen. Inhalt Kompetenzen (Ustd. à 45 min) Buchseiten (GK-Buch) Teilchenphysik (15 Ustd.) 410 - 415 systematisieren mithilfe des heutigen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine (UF3). Die Schülerinnen und Schüler … vergleichen das Modell der Austauschteilchen im Bereich der Elementarteilchen mit dem Modell des Feldes (Vermittlung, Stärke und Reichweite der Wechselwirkungskräfte) (E6). erklären mithilfe des aktuellen Standardmodells Phänomene der Kernphysik (UF3). erklären an Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell mithilfe der heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation und der Energie-Masse-Beziehung (UF1). recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen zu ausgewählten aktu- 35 Experimente und Materialien Kommentar Elementarteilchen, Quarks als Materiebausteine, Beschreibung von Wechselwirkungen durch Feldquanten, insbesondere Photonen als Feldquanten der elektromagnetischen Wechselwirkung und Gluonen als Feldquanten der straken Wechselwirkung, Erklärung des 𝛽-Zerfalls Ergänzung aus dem GK-Band: Materiebausteine des Standardmodells (S. 145), Entdeckungen am CERN, Aufgaben von Detektoren, Ausbau des ATLASDetektors, Datenverarbeitung am CERN, Beschleuniger der Zukunft, Physik jenseits des Standardmodells (S. 152 – 155), Entwicklung von RUTHERFORD bis HIGGS (S. 156 – 159) Zusätzlich müssen Teilchenumwandlungen im Standardmodell ellen Entwicklungen in der Elementarteilchenphysik (K2). bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Erkenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik (B1, B3). 36 mithilfe der heisenbergschen Unbestimmtheitsrelation und der Energie-Masse-Beziehung) erklärt werden Mögliche Ergänzung: Quarkfamilien Mögliche Ergänzung: Farbladungen und Farbkräfte
