Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik PHYSIK Fachprofil
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Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik PHYSIK Fachprofil: Die Naturwissenschaften bestimmen heute das Denken des Menschen, seine Einstellung zu Natur und Umwelt sowie sein Handeln in hohem Maß. Dem Physikunterricht kommt zusammen mit dem Unterricht in Chemie und Technologie/Informatik die Aufgabe zu Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen zu wecken und die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, durch vertiefte Kenntnisse die Zusammenhänge in Natur und Technik besser zu verstehen. Im Physikunterricht sollen folgende übergeordnete Ziele angestrebt werden: - Verständnis für die exakte Festlegung physikalischer Größen; - Einsicht in die zentrale Bedeutung des Experimentes in der Physik; - Fähigkeit, Experimente zu beschreiben, durchzuführen, auszuwerten und die Genauigkeit von Messergebnissen zu beurteilen; - Gewandtheit im Gebrauch der Fachsprache sowie im Umgang mit Formeln und Größengleichungen; - Einsicht, dass Gesetze und Modelle nur innerhalb bestimmter Grenzen ihre Gültigkeit haben; - Bewusstsein, dass physikalische Erkenntnisse in der Technik Anwendung finden; - Offenheit fiir Probleme des Umweltschutzes und Bereitschaft durch sparsamen Umgang mit Rohstoffen zur Verbesserung der Umweltbedingungen beizutragen; - Einsicht in die Notwendigkeit von Maßnahmen zur Unfallverhütung. Ausgehend von den Lerninhalten der Haupt- und Berufsschule und den bisherigen Berufserfahrungen der Schüler sollen physikalische Begriffe und Strukturen erarbeitet und physikalische Methoden entwickelt werden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der physikalisch sachgerechten Darstellung und ihrer exakten fachsprachlichen Formulierung. In der Jahrgangsstufe 12 werden Inhalte der schon in der Vorbildung der Schüler behandelten Themenbereiche wieder aufgegriffen, vertieft und unter verstärkter Einbeziehung der Mathematik weitergeführt. Ein Ziel dieser Stufe ist es grundlegende Begriffe der Mechanik wie Kraft, Impuls und Energie, zu vertiefen. Der Schwerpunkt dieser Jahrgangsstufe liegt in der Betrachtung von elektrischem Feld und Magnetfeld. Auf die Analogie zwischen elektrischem Feld und Magnetfeld kann hingewiesen werden. Das Denken der Schülerinnen und Schüler in Analogien soll dadurch gefördert werden. In Jahrgangsstufe 13 sollen die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass im Experiment beobachtbare Phänomene teilweise nur mit Hilfe unterschiedlicher abstrakter Modelle zu verstehen sind. Die im Mathematikunterricht erworbenen Kenntnisse ermöglichen es, dynamische Prozesse durch Differenzialgleichungen zu beschreiben. Die Kenntnis von Grundlagen der Wellen- und Quantentheorie und der Relativitäts- theorie soll den Schülerinnen und Schülern den Zugang zu technischen oder naturwissenschaftlichen Studiengängen erleichtern. Der zunehmenden Bedeutung des Computers in Forschung und Technik als Hilfsmittel bei Simulation und Messwerterfassung bzw. -Verarbeitung soll im Unterricht Rechnung getragen werden. Die enge Verzahnung der Physik mit Mathematik, Technologie/Informatik und Chemie, die auch den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht werden soll, erfordert eine intensive Zusammenarbeit der Lehrkräfte. Jahrgangsstufe 12 Lerngebiete: 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8 Geradlinige Bewegung Kraft und Masse Kreisbewegung Arbeit, Energie, Leistung, Impuls Mechanische Schwingung Gravitation Elektrisches Feld Magnetisches Feld und Induktion Summe 30 Std. 12 Std. 13 Std. 28 Std. 19 Std. 10 Std. 44 Std. 42 Std. 198 Std. LERNZIELE 12.1 Geradlinige Bewegung LERNINHALTE HINWEISE ZUM UNTERRICHT 30 Std. 12.1.1 Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit Die Schülerinnen und Schüler können Bewegungsabläufe in Abhängigkeit vom Bezugssystem beschreiben und verschiedenen Grundbewegungsarten zuordnen. Aus der Beobachtung einer geradlinigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit sind sie in der Lage mit Hilfe von Bezugssystemen die Ortsveränderungen zu beschreiben und mit geeigneten Diagrammen graphisch darzustellen. Sie können Problemstellungen aus der geradlinigen Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit rechnerisch und zeichnerisch lösen. Sie erfahren, dass Bewegungen sich unabhängig voneinander überlagern können, und sind in der Lage dieses Prinzip anzuwenden. Grundbewegungsarten: - Translation - Rotation Einfache Bewegungen aus dem beruflichen Erfahrungsbereich der Schüler aufgreifen Bewegung als Ortsveränderung in einem Bezugssystem Beschreibung der Bewegung mit Hilfe von Ortsvektoren und Koordinaten Abhängigkeit der Beschreibung von der Wahl des Bezugssystems Verdeutlichen, dass die Begriffe "Ruhe" und "Bewegung" relativ sind Geschwindigkeit als abgeleitete Größe: V = AX At Geschwindigkeit als Vektor; Unterscheidung zwischen Betrag und Koordinate Koordinatengleichung: x = xn + v t Darstellungen von Bewegungen im - x(t)-Diagramm - v(t)-Diagramm Interpretation von Auswerten von Fahrbahnmessdaten - Geradensteigung im x(t)-Diagramm - Fläche im v(t)-Diagramm Vektorielle Addition von Geschwindigkeiten: - Berechnung nur im rechtwinkligen Dreieck - graphische Lösung auch bei beliebigen Winkeln zwischen den Vektoren Z.B. Bewegung eines Flugzeugs bei Seitenwind 12.1.2 B ewegung mit konstanter Beschleunigung Die Schülerinnen und Schüler verstehen die physikalische Definition der Beschleunigung und können die Gesetzmäßigkeiten der geradlinigen Bewegung mit konstanter Beschleunigung aus Messwerten durch graphische und rechnerische Methoden entwickeln. Durch die Diskussion der Auswertungen erschließt sich ihnen der Einfluss von Anfangsbedingungen einer geradlinigen, konstant beschleunigten Bewegung. Sie entwickeln die allgemeinen Bewegungsgleichungen und wenden diese auch im Hinblick auf die Überlagerung beschleunigter Bewegungen an. Beschleunigung als abgeleitete Größe: a = At Beschleunigung als Vektor Mittlere Geschwindigkeit Momentangeschwindigkeit Darstellung der Bewegung mit - x(t)-Diagramm - v(t)-Diagramm - a(t)-Diagramm Koordinatengleichungen: v = v0 + a-t x = xfto + v no-t + —-a-t 2 v 2 - v 0 2 = 2-a-AX Freier Fall, Messung der Fallbeschleunigung Beschreibung, Berechnung und graphische Darstellung ausgewählter, reibungsfreier Bewegungen: - Überhol- und BegegnungsVorgänge - senkrechter Wurf - waagrechter Wurf 12.2 Kraft und Masse Auswertung von Messversuchen AV Vergleich mit Sekantensteigung und Tangentensteigung im Mathematikunterricht Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich durch Auswerten geeigneter Versuchswerte den Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung. Sie sind in der Lage diesen Zusammenhang unter Zuhilfenahme von Kräfteplänen anzuwenden. Erstes Newton'sches Gesetz (Trägheitsprinzip) Zweites Newton'sches Gesetz (F = nva) Messversuche und Auswertung an einer horizontalen Fahrbahn Die konstante Beschleunigung kann durch eine umgelenkte Gewichtskraft bewirkt werden. Drittes Newton'sches Gesetz (Wechselwirkungsprinzip) Kräftepläne Bewegungen mit und ohne Reibung: - Antriebs- und Bremsvorgänge - geneigte Ebene Herausstellen, dass die Summe aller auf einen Massenpunkt wirkenden Kräfte die resultierende Kraft ist, die den Körper beschleunigt. Anwendungsbeispiele aus dem Straßenverkehr heranziehen 12.3 Kreisbewegung Anknüpfend an die Grundbegriffe der geradlinigen Bewegung werden die Schülerinnen und Schüler mit den charakteristischen Größen einer Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit vertraut. Sie erkennen, dass die Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung ist, die eine Kraft erfordert. Anhand verschiedener Beispiele werden die Schülerinnen und Schüler befähigt Kreisbewegungen aus der Natur und der Technik quantitativ zu erfassen. Umlaufdauer Drehfrequenz Winkelgeschwindigkeit Bahngeschwindigkeit Zentralbeschleunigung 2 CO T = V' — Verdeutlichen, dass stets gilt: a _L V Formel deduktiv herleiten Zentralkraft Experimentelle Untersuchung der Zentralkraft Zentrifugalkraft im rotierenden Bezugssystem Herausstellen, dass ein Körper, der im ruhenden Bezugssystem eine Kreisbewegung beschreibt, im entsprechenden rotierenden Bezugssystem ruht Beispiele für Anwendungsaufgaben: Erdrotation, Zentrifuge, Kettenkarussell, Fahrzeuge auf Kreisbahnen, Kurvenüberhöhung Auf das Erstellen von Kräfteplänen unter Beachtung des Bezugssystems sollte besonderer Wert gelegt werden. 12.4 Arbeit, Energie, Leistung, Impuls 12.4.1 Ausgehend vom Arbeitsbegriff der Mittelstufe erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die an einem Körper verrichtete Arbeit gleich seiner Energieänderung ist. Anhand von Beispielen sollen die Schülerinnen und Schüler die Tragfähigkeit des Energieerhaltungssatzes als wirksames Instrument zur Lösung physikalischer Aufgaben erkennen und zur selbständigen Anwendung fähig werden. Arbeit bei konstanter Kraft als Skalarprodukt von Kraft und Weg Interpretation der Fläche im F(x)-Diagramm als Arbeit auch bei nicht konstanter Kraft Arten von Arbeit: - Hubarbeit - Beschleunigungsarbeit - Reibungsarbeit - Spannarbeit Vorbereitung des Integralbegriffs Formulierung der Arbeit als bestimmtes Integral dann, wenn das Integral im Mathematikunterricht eingeführt worden ist Am Sonderfall der geneigten Ebene kann die Unabhängigkeit der Hubarbeit vom Weg gezeigt werden. Herleitung mit Hilfe des F(x)-Diagramms Energie als Arbeitsvermögen eines Körpers: - potentielle Energie: Lageenergie Spannenergie - kinetische Energie - Wärmeenergie Gesetz über die Energieerhaltung in einem abgeschlossenen System Heranziehen von Beispielen: freier Fall, Fadenpendel, Federpendel, Schleifenbahn, Pumpspeicherwerk Sonderfall: Erhaltung der mechanischen Energie in einem reibungsfreien, abgeschlossenen System Erweiterung des Arbeitsbegriffs: W = AE Mittlere Leistung: P ° m Unabhängigkeit der Hubarbeit vom Weg herausstellen Klarstellen, dass an einem Körper negative Arbeit verrichtet wird, wenn dessen Gesamtenergie abnimmt AE At Beispiele: Auto, Kraftwerk, Mensch Leistung: P = E P =F • v Wirkungsgrad 12.4.2 12.5 D ie S chülerinnen und Schüler verstehen, dass das Impulserhaltungsgesetz eine Erweiterung der Newton'schen Gesetze ist. Sie lernen an ausgewählten Beispielen die Gesetze zur Erhaltung der Energie und des Impulses zur Lösung einfacher Aufgaben zur Mechanik anzuwenden. Mechanische Schwingungen Impuls als vektorielle Größe F=P Gesetz der Impulserhaltung Vollelastischer zentraler Stoß Unelastischer zentraler Stoß Herausstellen, daß dies eine Verallgemeinerung des zweiten Newton'schen Gesetzes ist. Hinführung mit Hilfe des dritten Newton'schen Gesetzes Anwendungsbeispiele: Raketenantrieb, ballistisches Pendel 12.5.1 Anhand von Demonstrationsexperimenten erhalten die Schülerinnen und Schüler einen Einblick in die Bedeutung periodisch ablaufender Bewegungsvorgänge in Natur und Technik und werden mit den wichtigsten Größen einer Schwingung vertraut. In der experimentellen und theoretischen Auseinandersetzung mit ausgewählten schwingungsfähigen Systemen lernen die Schülerinnen und Schüler die Gesetzmäßigkeiten von harmonischen Schwingungen kennen. Schwingung als periodischer Vorgang Periodendauer, Frequenz, Elongation, Amplitude Dämpfung Vorführung verschiedener schwingungsfähiger Systeme Harmonische Schwingung Sinusförmiger Verlauf der Koordinaten von Elongation, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Rückstellkraft Kreisfrequenz Bewegungsgleichungen bei verschiedenen Anfangsbedingungen Linien- und Zeigerdiagramm Parallelprojektion einer Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit experimentell mit einer harmonischen Schwingung vergleichen Lineares Kraftgesetz, Richtgröße, Differenzialgleichung der harmonischen Schwingung Zusammenhang zwischen Periodendauer, Richtgröße und Masse An diesem Beispiel soll den Schülern der Begriff "Differenzialgleichung" erläutert werden. Der Zusammenhang wird mit Hilfe der Differenzialgleichung hergeleitet. Untersuchung verschiedener schwingungsfähiger Systeme auf Gültigkeit des linearen Kraftgesetzes Beispiele für schwingungsfähige Systeme: Federpendel, schwingende Flüssigkeitssäule im U-Rohr, Fadenpendel 12.5.2 12.5.3 Aufbauend auf dem schon bekannten Energiebegriff lernen die Schülerinnen und Schüler eine Schwingung als einen Vorgang periodischer Energieumwandlung kennen. Sie können die Energien bei einer harmonischen Schwingung berechnen. Periodische Umwandlung potentieller und kinetischer Energie Am Experiment erkennen die Schülerinnen und Schüler das unterschiedliche Verhalten schwingungsfähiger Systeme bei einmaliger und bei periodischer Anregung. Sie beobachten das Phänomen der Resonanz und können die Vorgänge qualitativ beschreiben. Freie Schwingung Eigenfrequenz Freihandversuche mit Federpendel Elastische Kopplung Erzwungene Schwingung Abhängigkeit der Resonatoramplitude und der Phasenverschiebung von der Erregerfrequenz Resonanz Nur qualitativ betrachten Computersimulation Rechnerischer Nachweis der Zeitunabhängigkeit der Gesamtenergie Beispiele für erwünschte und unerwünschte Resonanz, Res onanzkatastrophe 12.6 Gravitation 12.6.1 Ausgehend von einem historischen Ansatz machen sich die Schülerinnen und Schüler mit den keplerschen Gesetzen vertraut. Ihnen wird bewusst, dass es sich hier um empirische Gesetze handelt. Sie können damit die Bewegungen der Planeten und der Raumkörper beschreiben und einfache Anwendungsaufgaben lösen. 12.6.2 Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass zwischen Massen Wechselwirkungskräfte auftreten, die man Gravitationskräfte nennt. Sie erkennen, dass die Gewichtskraft eine Gravitationskraft ist. Sie erlangen die Fähigkeit das Gravitationsgesetz anzuwenden, und können einfache Bewegungen unter der Wirkung der Gravitationskraft berechnen. Erstes Keplergesetz Zweites Keplergesetz Drittes Keplergesetz Gravitationsgesetz F Gr Veranschaulichung der Gesetze durch Computersimulation = ^.mfm2 - natürliche und künstliche Satelliten - Synchronsatellit - gravitationsfreier Punkt zwischen zwei Massen Massen- und Bahnberechnungen mit Hilfe des Gravitationsgesetzes 12.7 Elektrisches Feld Ladungstrennung, Einheit der Ladung 12.7.1 Die Schülerinnen und Schüler kennen die Kraftwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern. Anziehende und abstoßende Kraft zwischen geladenen Körpern Technische Anwendung: Luftreinigung, Kopierer Radialsymmetrisches elektrisches Feld Veranschaulichung elektrischer Felder durch Feldlinien Coulombgesetz: F el IQ1Q2 4-71-s, Definition der elektrischen Feldstärke: F.el E = Betrag der elektrischen Feldstärke im Coulombfeld: E = 1 4-7f8, Grießkörnerversuch, Computereinsatz . IQI q ist eine positive Probeladung Die Richtung von E ist gleich der Richtung der elektrischen Kraft auf eine positive Probeladung. 12.7.2 Die S chülerinnen und Schüler verstehen die elektrische Spannung als Potentialdifferenz. Verschiebungsarbeit im Coulombfeld Definition des Potentials Das Bezugsniveau kann entsprechend der Aufgabenstellung beliebig gewählt werden. Spannung als Potentialdifferenz Potential im Coulombfeld 12.7.3 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Kondensator einerseits zur Erzeugung eines homogenen elektrischen Feldes, andererseits zur Ladungs- und Energiespeicherung dient. Messung, z.B. mit der Flammensonde Homogenes elektrisches Feld eines Plattenkondensators Feldstärke, Verschiebungsarbeit, Potential und Spannung im homogenen elektrischen Feld Influenz Versuch mit den Influenzplatten Flächenladungsdichte Zusammenhang zwischen Flächenladungsdichte und Feldstärke Definition der Kapazität Kapazität des Plattenkondensators Dielektrikum, Dielektrizitätszahl eR Reihen- und Parallelschaltung zweier Kondensatoren Energieinhalt eines Kondensators Auf technische Kondensatoren hinweisen 12.7.4 Die S chülerinnen und Schüler verstehen das Millikan-Experiment und seine Bedeutung. Millikan-Experiment Elementarladung 12.7.5 Die Schülerinnen und Schüler können die Bewegung von geladenen Teilchen im elektrischen Feld berechnen. Glühemission Bewegung von geladenen Teilchen im homogenen dektris chen Feld, wobei v 0 x E oder Beschränkung nur auf den Schwebefall Die Analogie zum senkrechten und waagrechten Wurf aufzeigen Betonen, dass im elektrischen Feld die Gewichtskraft auf ein Elektron grundsätzlich vernachlässigbar ist Prinzip des Oszilloskops 12.8 Magnetisches Feld und Induktion 12.8.1 Ausgehend von der Kraftwirkung eines Permanentmagneten lernen die Schülerinnen und Schüler das Magnetfeld als weiteres Kraftfeld kennen. Sie können es mit Hilfe von Feldlinien beschreiben. Magnetfeld von Permanentmagneten Magnetfeld stromdurchflossener Leiter Feldlinien Die Richtung des Feldes ist gleich der Richtung der Kraft auf den Nordpol eines Probemagneten 12.8.2 Aufbauend auf der Erkenntnis, dass ein Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter eine Kraft ausübt, verstehen die Schülerinnen und Schüler die Definition der Flussdichte als feldbeschreibende Größe. 12.8.3 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter durch die Lorentzkraft erklärt werden kann. Sie können mit Hilfe der Lorentzkraft die Bahn geladener Teilchen beschreiben und rechnerisch erfassen. Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter Definition des Betrags der Flussdichte: F B = I- Demonstrationsversuche mit der Leiterschaukel, Drehspule und Paralleldrahtleitung Hinweis aufdie Definition der Einheit Ampere Im Messversuch mit der Stromwaage F ~ I und F ~ I zeigen F = I-(«xB) Anwendung des aus der Mathematik bekannten Vektorprodukts Hinweis aufdie "Dreifingerregel" Anwendungen in der Technik: Elektromotor, Drehspulmesswerk Lorentzkraft Berechnungen nur für den Fall v senkrecht zu B F m = Q-(vxg) Halleffekt Proportionalität der Hallspannung zum Betrag der Flussdichte Kreisbahn geladener Teilchen im Magnetfeld Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr Überlagerung von magnetischem und elektrischem Feld: Wienfilter Auf analoge Zusammenhänge beim Magneto-hydrodynamischen Generator kann verwiesen werden. Messung der magnetischen Flussdichte mit Hilfe der Hallsonde 12.8.4 Durch das Ausmessen von Spulenfeldern soll sich den Schülerinnen und Schülern die Gesetzmäßigkeit für die Flussdichte im Inneren einer langgestreckten, leeren Spule erschließen. Magnetische Flussdichte in einer langgestreckten, leeren Spule Magnetische Feldkonstante u0 Messversuch mit der Hallsonde 12.8.5 D i e S chülerinnen und Schüler können das Entstehen einer Induktionsspannung in einem bewegten Leiter mit Hilfe der Lorentzkraft erklären und berechnen. Sie erfahren, dass die Induktionsspannung allgemein durch das Induktionsgesetz beschrieben wird, können dieses anwenden und sind sich der Vielfältigkeit der technischen Anwendungen bewusst. Induktionsspannung Demonstrationsversuche Induktionsspannung an einem im homogenen Magnetfeld bewegten Leiter |U,| =B-«-v Messversuch Magnetischer Fluss CD = B-Ä |Uj| = Nj-|®| Lenzsche Regel Induktionsgesetz Ui= -Nj-cD Erzeugung von konstanter und sinusförmiger Induktionsspannung Effektivwert Messversuch => |TJ.| = N>B'|Ä.| Messversuch => |TJ.| = N--A.-|B| Einübung u. a. an Beispielen zur offenen und geschlossenen Leiterschleife; dabei auch rechnerische Bestätigung der Energieerhaltung Generator, Mikrofon können als Beispiele zur technischen Anwendung besprochen werden. Auf das Auftreten von Wirbelströmen sollte eingegangen werden. 12.8.6 D i e S chülerinnen und Schüler erfahren anhand von Experimenten, dass Selbstinduktionsspannungen auftreten, und kennen den Zusammenhang zwischen Induktivität und Induktionsspannung. Ihnen wird bewusst, dass im Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule magnetische Energie gespeichert ist. 12.8.7 Die Schülerinnen und Schüler verstehen den Zusammenhang von Strom und angelegter Wechselspannung bei einfachen elektrischen Bauteilen. Selbstinduktionsspannung Ein- und Ausschaltvorgänge demonstrieren Induktivität einer langgestreckten Spule: N2 L= | i - A - — - mit u = (i0-!UR U ; = -L-I Energieinhalt einer stromdurchflossenen Spule Daraufhinweisen, dass durch diese Gleichung die Induktivität einer beliebigen Spule festgelegt wird UL = - Uj soll eingeführt werden Hinweis auf den Energieinhalt eines Kondensators E.-J-L.I» Ohmscher Widerstand, induktiver und kapazitiver Widerstand bei sinusförmiger Wechselspannung Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom Zeigerdiagramme verwenden Keine Verknüpfung von elektrischen Bauteilen PHYSIK, Jahrgangsstufe 13 Lerngebiete: 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 Elektromagnetische Schwingungen Wellenphänomene Spezielle Relativitätstheorie Dualismus Welle-Teilchen Physik des Aufbaus der Materie Summe LERNZIELE 13.1 Elektromagnetische Schwingungen LERNINHALTE 33 38 10 30 54 Std. Std. Std. Std. Std. 165 Std. HINWEISE ZUM UNTERRICHT 13.1.1 Aufbauend auf ihren Kenntnissen über ohmsche, induktive und kapazitive Widerstände im Wechselstromkreis, verstehen die Schülerinnen und Schüler das Zusammenwirken von Wechselstromwiderständen. Sie sind in der Lage, Berechnungen unter Berücksichtigung der Gesetzmäßigkeiten für die Reihen- bzw. Parallelschaltung durchzuführen. Ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstand an sinusförmiger Wechselspannung Erweiterung auf reine Reihen- bzw. Parallelschaltung von maximal drei idealen Schaltelementen Funktionsgraphen Zeigerdiagramme Phasenverschiebungen Leistung Die Bedeutung der Wirkleistung ist hervorzuheben. 13.1.2 In der experimentellen und theoretischen Auseinandersetzung mit dem elektrischen Schwingkreis lernen die Schülerinnen und Schüler die Gesetzmäßigkeiten der mechanischen Schwingungen sinngemäß aufdie elektromagnetischen Schwingungen zu übertragen. Geschlossener elektromagnetischer Schwingkreis - Entladung eines Kondensators über eine Spule - gedämpfte elektromagnetische Schwingung - Ursache der Dämpfung Spannungs- und Stromverlauf experimentell aufnehmen Vergleich mit dem mechanischen Pendel Nur qualitativ betrachten Herleitung der Differentialgleichung der ungedämpften elektromagnetischen Schwingung aus UL + Uc = 0 Herleitung der Thomson-Gleichung aus der Differenzialgleichung der ungedämpften elektromagnetischen Schwingung Eigenfrequenz Zeitliche Abhängigkeit von: - Ladung - Stromstärke - Spannung - Energie Die Analogie zum mechanischen Oszillator herausstellen Nachweis der Energieerhaltung im ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis Nachweis, dass andererseits die Energieerhaltung zur Differenzialgleichung der ungedämpften elektromagnetischen Schwingung führt Hinweis aufdie Analogie zum mechanischen Oszillator Experimentelle Bestätigung der Thomson-Gleichung 13.1.3 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass das aus der Mechanik bekannte Phänomen der Resonanz auch bei elektrischen Systemen beobachtbar ist. Sie können die Vorgänge bei der erzwungenen Schwingung qualitativ beschreiben. Sie lernen das Rückkopplungsprinzip zur Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen kennen. Erzwungene elektromagnetische Schwingung 13.1.4 Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass in einem Dipol eine elektromagnetische Schwingung möglich ist. Sie erkennen, dass von einem solchen Dipol eine elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird. Übergang vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis Stromstärke und Ladungsverteilung im Energieübertragung durch Kopplung Amplitude und Phasenverhalten in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz Resonanz Meißner-Rückkoppelschaltung --Dipol 2 E - und B-Feld in der Fernzone Empfang elektromagnetischer Strahlung als Resonanzerscheinung Analogie zur erzwungenen mechanischen Schwingung betrachten Resonanzkurve aufnehmen Nur qualitativ behandeln Bedeutung der Rückkopplung in Regelkreisen vgl. Technologielehrplan Aufdie Maxwell'sche Verknüpfung der Felder kann hingewiesen werden. 13.2 Wellenphänomene Die Schülerinnen und Schüler lernen die grundlegenden physikalischen Begriffe und Phänomene der Wellenlehre kennen. Vergleichende Experimente mit mechanischen bzw. elektromagnetischen Wellen lassen sie die Wellenphänomene verstehen. Sie beherrschen Methoden zur Bestimmung der Wellenlänge und erkennen den Wellencharakter des Lichts. Entstehung und Ausbreitung der Längsund Querwelle bei harmonisch schwingendem Erreger An Wellen anknüpfen, die aus dem täglichen Leben bekannt sind: Wasserwellen, Seilwellen, Schallwellen, elektromagnetische Wellen, Licht Versuche mit der Wellenmaschine, der Wellenwanne und dem Federwurm durchführen Dipolstrahlung als elektromagnetische Welle darstellen Energietransport Herausstellen, dass die transportierte Energie proportional zum Quadrat der Amplitude ist Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Frequenz und Betrag der Ausbreitungsgeschwindigkeit Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle im Vakuum mitteilen Gleichung der fortschreitenden harmonischen Querwelle - Momentanbild der harmonischen Welle - zeitlicher Verlauf der harmonischen Schwingung am Ort x Es soll nur die lineare mechanische Welle betrachtet werden. Wellenfront Beugung Die Beugung z. B. von Wasserwellen, Schallwellen, Dipolstrahlung, Licht im Experiment zeigen Interferenz zweier Kreiswellen - Gangunterschied - Bedingungen für Maxima und Minima der Überlagerungsamplitude Die Überlagerungsamplitude kann mit Hilfe eines Zeigerdiagramms ermittelt werden. Interferenz am Doppelspalt Spezialfall: Interferenz von Licht am optischen Gitter kontinuierliche Spektren und Linienspektren Interferenzversuche z. B. mit Wasserwellen, Mikrowellen, Licht durchführen Am optischen Gitter nur die Hauptmaxima betrachten Den Zusammenhang der Farbe mit der Wellenlänge bzw. der Frequenz herausstellen Auf Spektralanalyse hinweisen Überblick über das elektromagnetische Spektrum Polarisation - Schwächung des Empfangs bei nicht parallelen Dipolen - Metallgitter zwischen Dipolen - Polarisationsfolien bei Licht - Keine Behandlung der Doppelbrechung Stehende Welle Schwingungsknoten, Schwingungsbauch Grund- und Oberschwingung Auf den Zusammenhang P ~ E hinweisen Auf Polarisation durch Reflexion kann hingewiesen werden. Anwendungen aufzeigen z. B. Spannungsoptik, Zuckerbestimmung in der Medizin Analogiebetrachtung zwischen mechanischen stehenden Wellen und elektromagnetischen stehenden Wellen Dipolschwingung als stehende Welle interpretieren Unterschiede zwischen fortschreitender und stehender Welle herausarbeiten Akustischer Dopplereffekt - relativ zum Medium bewegter Empfänger: fE = f„ ( y 1± v c fE : Empfangsfrequenz fs : Sendefrequenz v und c sind hier die Beträge der Geschwindigkeiten. relativ zum Medium bewegter Sender: f E = f Beispiel : vorbeifahrendes Fahrzeug mit Martinshorn s" 1,1 13.3 Spezielle Relativitätstheorie 13.3.1 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Sonderstellung elektromagnetischer Signale im Vakuum hinsichtlich ihrer stets konstanten Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die geradezu paradox erscheinende Konsequenz dieser Erkenntnis führt sie zu dem Bewusstsein, dass Zeit und Raum keine absoluten Größen sind, sondern abhängig vom jeweiligen Beobachtungssystem wahrgenommen werden. Michelson-Experiment Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Beschreibung des Versuchs und Diskussion der Ergebnisse Unabhängigkeit vom Bezugssystem herausstellen; Gegensatz z. B. zur Schallausbreitung aufzeigen Relativitätsprinzip Gedankenexperiment; Betrachtung von relativ zueinander bewegten Bezugssystemen; Synchronisation von Uhren 13.3.2 Ausgehend von einem Experiment erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die Masse eines Körpers von seiner Geschwindigkeit abhängt. Sie erfahren, dass Masse und Energie äquivalente Größen sind und begreifen, dass die aus Jahrgangsstufe 12 bekannte Formel für die kinetische Energie nur bei kleinen Geschwindigkeiten gilt. Versuch von Bucherer Abhängigkeit der Masse von der Geschwindigkeit: 1 m = mA- N Mitteilung und Erläuterung der relativistischen Formel i -r Ruhemasse m0 Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit für Teilchen Äquivalenz von Masse und Energie E = m • c2 Ruheenergie Kinetische Energie Bewegung relativistischer Teilchen in Feldern Gleichung mitteilen und aufdie historische Bedeutung hinweisen Für v « (i - X) c 2 mittels der Näherung « 1 + -x aus m = m o 1 - V" m-c~ ~ mn-c~ Ekin = m-c2 - m0-c2 13.4 Dualismus Welle-Teilchen für 0 < x <c 1 13.4.1 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass der Photoeffekt dem Wellenmodell des Lichts widerspricht. Sie verstehen, dass die beobachtbaren Phänomene durch das Einstein'sche Modell des Photons erklärt werden und können den Zusammenhang zwischen der Frequenz und der kinetischen Energie der Photoelektronen anwenden. 13.4.2 Die Schülerinnen und Schüler verstehen, dass Photonen eine Masse und einen Impuls haben. Sie können entsprechende Phänomene erklären und rechnerisch erfassen. Äußerer Photoeffekt Sättigungsstromstärke nach Anlegen einer Saugspannung Versuch nach Hallwachs durchführen Hinweis auf Photovoltaik Messung der kinetischen Energie der Photoelektronen mit der Gegenfeldmethode Widersprüche zum Wellenmodell: - Existenz einer Grenzfrequenz - sofortiges Einsetzen des Effekts - Unabhängigkeit der kinetischen Energie von der Bestrahlungsstärke - Abhängigkeit der kinetischen Energie von der Frequenz Messung mit Vakuum-Photozelle durchführen Einstein'sche Gleichung Lichtquanten (Photonen) Planck'sches Wirkungsquantum h Masse und Impuls eines Photons Phänomene, deren Verständnis Masse und Impuls von Photonen erfordern: - Ablenkung und Frequenzänderung im Gravitationsfeld - Auslenkung eines Spiegels - Compton-Effekt Experimentelle Bestimmung von h als Steigung im Ekin(f)-Diagramm Herleitung der Formel für die Wellenlängenänderung 13.4.3 Die Schülerinnen und Schüler verstehen, wie durch die statistische Deutung der Quantentheorie das Wellenmodell mit dem Teilchenmodell verknüpft werden kann. Stochasfische Verteilung der Photonen Zusammenhang von Amplitudenquadrat der Lichtwelle und Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Photonen 13.4.4 Analog zum Dualismus Welle-Teilchen beim Licht verstehen die Schülerinnen und Schüler, dass auch Materieteilchen eine Wahrscheinlichkeitswelle zugeordnet werden kann. Sie kennen den experimentellen Nachweis mit der Elektronenbeugungsröhre und können dieses Experiment erklären. De-Broglie-Materiewelle Nachweis der Materiewelle mit der Elektronenbeugungsröhre Bragg'sche Beziehung Übertragung des Dualismus Welle-Teilchen auf Materie Unabhängigkeit der Elementarladung von der Geschwindigkeit Einsatz von Computersimulation oder Film Elektroneninterferenz durch Beugung an Graphitpulver zeigen 13.5 Physik des Aufbaus der Materie 13.5.1 Atomphysik Die Schülerinnen und Schüler lernen entsprechend der historischen Entwicklung verschiedene Atommodelle kennen. Speziell am Beispiel des Bohr'schen Atommodells erfahren sie die Leistungsfähigkeit eines Modells. Ihnen wird bewusst, dass dabei jeweils nur Teilaspekte der physikalischen Wirklichkeit beschrieben werden. Streuversuch von Rutherford und das zugehörige Atommodell Bohr'sches Atommodell - Bohr'sche Postulate - Herleitung der Energiestufen des Wasserstoffatoms - Serienformel, Rydbergkonstante - Erweiterung auf andere Einelektronensysteme Versuch nur qualitativ beschreiben Die Bohr'sche Quantenbedingung kann durch die stehende Materiewelle gewonnen werden. Versuch von Franck und Hertz, Resonanzfluoreszenz Röntgenstrahlung - Erzeugung von Röntgenstrahlung - Spektrum der Röntgenstrahlung - charakteristische Strahlung - Bremsstrahlung - Gesetz von Moseley für die Ka-Linie - Messung der Wellenlänge durch Interferenz am Kristallgitter Aufzeigen, dass die charakteristische Röntgenstrahlung das aus dem Chemieunterricht bekannte Schalenmodell bestätigt. Aufdie Anwendung in Medizin und Technik und die Gefährdung durch Röntgenstrahlung soll hingewiesen werden. Das Gesetz kann mit der Serienformel für Einelektronensysteme plausibel gemacht werden. 13.5.2 Physik der Atomkerne Mit Hilfe eines einfachen Kernmodells können die Schülerinnen und Schüler Kernumwandlungen beschreiben. Sie verstehen die Wirkungsweise der wichtigsten Nachweisgeräte für radioaktive Strahlung. Durch Experimente und theoretische Herleitung gewinnen sie die Gesetzmäßigkeiten des radioaktiven Zerfalls. Die Schülerinnen und Schüler können die bei Kernprozessen umgesetzte Energie erklären und berechnen. Kernaufbau und -zerfall - Nukleonen - Kernkraft - Massen- und Kernladungszahl - Isotope, Nuklidkarte - a- und ß-Zerfall - Zerfallsreihen Auf qualitative Betrachtung beschränken Eigenschaften der a-, ß- und y-Strahlung Nachweisgeräte Ionisationskammer - Zählrohr - Nebelkammer Absorptionsgesetz für ß- und y-Strahlung, Halbwertsdicke Zerfallsgesetz, Halbwertszeit Aktivität Methoden zur Altersbestimmung: l4 C-Methode, Uran-Blei-Methode Kernumwandlungen, Energiebilanzen initiierte Kernumwandlungen Aktivierung - freies Neutron Beschränkung auf prinzipielle Funktionsweise der Nachweisgeräte Kernenergie - Atomare Masseneinheit - Massendefekt - Bindungsenergie pro Nukleon - Kernspaltung und -fusion - Energiebilanz bei Kernprozessen Strahlenschutz Dosimetrie - Energiedosis - Äquivalentdosis - Sicherheitsbestimmungen Aufdie effektive Aquivalentdosis kann hingewiesen werden.
