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Physikalisches Curriculum: Stufe 11 und 12 (2-stündiger Kurs - Schwerpunkt Quantenphysik ) I. Vermittlung von überfachlichen Kompetenzen in den Klassen 11 und 12 II. Zusätzliche Vereinbarungen der Fachschaft Physik III. Methodische Kompetenzen IV. Kerncurriculum mit Schulcurriculum Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 1 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Oken- Gymnasium Curriculum für das Fach Physik Stufe 11/12 I. Vermittlung von überfachlichen Kompetenzen in den Stufe 11 und 12: Im 2-stündigen Kurs wird eine wissenschaftspropädeutisch orientierte Grundbildung vermittelt Er führt in grundlegende Fragestellungen, Sachverhalte, Strukturen sowie deren Zusammenhänge ein und vermittelt exemplarisch die Möglichkeiten und den Wert fachübergreifender Bezüge. Er zielt auf die Beherrschung wesentlicher Arbeitsmethoden ab. Darüber hinaus fördert er bei den Schülerinnen und Schülern sowohl das Interesse am Fach durch Bezüge zur Lebenswelt als auch die Selbstständigkeit durch schülerzentriertes und handlungsorientiertes Arbeiten. Die Anforderungen im 2-stündigen Physikkurs sollen sich nicht nur quantitativ, sondern vor allem auch qualitativ von denen im 4-stündigen Physikkurs unterscheiden. Die Unterschiede bestehen insbesondere in folgenden drei Aspekten: • Umfang und Spezialisierungsgrad – bezüglich des Fachwissens, der Methoden beim Experimentieren und der Theoriebildung; • Abstraktionsniveau – erkennbar im Grad der Elementarisierung physikalischer Sachverhalte, in der Anwendung induktiver und deduktiver Methoden, bei Analogieschlüssen, im Grad der Mathematisierung und im Anspruch an die verwendete Fachsprache; • Komplexität – der Kontexte, der physikalischen Sachverhalte, Theorien und Modelle. Methodische Vereinbarungen Durch eigenständiges Arbeiten sollen die Schülerinnen und Schüler Verantwortung für den eigenen Lernprozess übernehmen. Durch aktives Mitgestalten des eigenen Lernprozesses bzw. des Unterrichts wird das Vertrauen in die eigenen Fähigkeiten gestärkt (personale Kompetenz). Es werden Unterrichtssituationen arrangiert, bei denen Schülerinnen und Schüler in kleinen Gruppen gemeinsam Aufgaben und Probleme mit einem hohen Grad an Selbstständigkeit beim Experimentieren und der Wissensgenerierung lösen sollen (Methodenkompetenz, soziale Kompetenz). Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten eigenständig Fachtexte (Lehrbuch, Artikel aus Fachzeitschriften, Originalarbeiten, etc.) (Methodenkompetenz). Es werden Unterrichtssituationen arrangiert, in denen die Schülerinnen und Schüler physikalische Sachverhalte sowohl mündlich als auch schriftlich verbalisieren, dabei exakte Fachsprache benutzen und physikalisch vertieft argumentieren müssen. Dabei müssen sie ihr Vorgehen reflektieren können (Methodenkompetenz, Fachkompetenz). Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 2 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Beim Präsentieren von Lern- und Arbeitsergebnissen soll neben sachlicher Korrektheit auch adressatengerechte Verständlichkeit geschult werden (Methodenkompetenz). Didaktische Vereinbarungen Um das kumulative Lernen der Schülerinnen und Schüler zu fördern, sollte der Unterricht so organisiert werden, dass an möglichst vielen Stellen in früheren Klassenstufen erarbeitete physikalische Zusammenhänge wieder aufgegriffen werden. Wann immer es möglich ist, sollen im Unterricht Verbindungen zwischen den physikalischen Betrachtungen und ihren Anwendungen und Folgen thematisiert werden. II. Zusätzliche Vereinbarungen der Fachschaft Physik: Um nachhaltig zu lernen, sollte der Unterrichtsstoff so strukturiert dargeboten werden, dass die Schülerinnen und Schüler an möglichst vielen Stellen Analogien erkennen können. Mit deren Hilfe kann der "neue Stoff' mit dem "alten Stoff" in Verbindung gebracht werden. Zu gegebenen Anlässen sollten außerdem früher behandelte Grundlagen wiederholt werden. Im Unterricht muss darauf geachtet werden, dass durch Lehrinhalte und Lehrmethoden Schülerinnen und Schüler gleichermaßen angesprochen werden. Fehler werden in der Lernphase zwangsläufig gemacht und gehören zum Lernprozess; Durch offene Problemstellungen und entdeckendes Lernen werden die Schülerinnen und Schüler zur Suche nach eigenen Lösungswegen angeregt. Handlungsorientiertes und entdeckendes Lernen und Arbeiten in Teams sind tragende Säulen des Physikunterrichts. Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 3 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) III. Methodische Kompetenzen: Die Schülerinnen und Schüler sollen die folgenden methodischen Kompetenzen an geeigneten, von der jeweiligen Lehrkraft gewählten Inhalten erwerben: 1. PHYSIK ALS NATURBETRACHTUNG UNTER BESTIMMTEN ASPEKTEN Die Schülerinnen und Schüler können • zwischen Beobachtung und physikalischer Erklärung unterscheiden; • zwischen ihrer Erfahrungswelt und deren physikalischer Beschreibung unterscheiden; • die physikalische Beschreibungsweise anwenden; • an Beispielen erläutern, dass naturwissenschaftliche Gesetze und Modellvorstellungen Grenzen haben. 2. PHYSIK ALS THEORIEGELEITETE ERFAHRUNGSWISSENSCHAFT Die Schülerinnen und Schüler können • die naturwissenschaftliche Arbeitsweise Hypothese, Vorhersage, Überprüfung im Experiment, Bewertung, ... anwenden und reflektieren; • ein Modell erstellen, mit einer geeigneten Software bearbeiten und die berechneten Ergebnisse reflektieren. 3. FORMALISIERUNG UND MATHEMATISIERUNG IN DER PHYSIK Die Schülerinnen und Schüler können • den funktionalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren; • funktionale Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen, die zum Beispiel durch eine Formel vorgegeben werden, verbal beschreiben und interpretieren; • funktionale Zusammenhänge selbstständig finden; • vorgegebene (auch bisher nicht im Unterricht behandelte) Formeln zur Lösung von physikalischen Problemen anwenden. 4. SPEZIFISCHES METHODENREPERTOIRE DER PHYSIK Die Schülerinnen und Schüler können • Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen untersuchen; • Experimente selbstständig planen, durchführen, auswerten, grafisch veranschaulichen und einfache Fehlerbetrachtungen vornehmen; • selbstständig Strukturen erkennen und Analogien hilfreich einsetzen; • computerunterstützte Messwerterfassungs- und Auswertungssysteme im Praktikum selbstständig einsetzen; • die Methoden der Deduktion und Induktion anwenden; • geeignete Größen bilanzieren. Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 4 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) 5. ANWENDUNGSBEZUG UND GESELLSCHAFTLICHE RELEVANZ DER PHYSIK Die Schülerinnen und Schüler können • Fragen selbstständig erkennen, die sie mit Methoden der Physik bearbeiten und lösen; • physikalische Grundkenntnisse und Methoden für Fragen des Alltags sinnvoll einsetzen; • Zusammenhänge zwischen lokalem Handeln und globalen Auswirkungen erkennen und dieses Wissen für ihr eigenes verantwortungsbewusstes Handeln einsetzen; • Die Schülerinnen und Schüler kennen charakteristische Werte der behandelten physikalischen Größen und können sie für sinnvolle physikalische Abschätzungen anwenden. 6. PHYSIK ALS EIN HISTORISCH-DYNAMISCHER PROZESS Die Schülerinnen und Schüler können an Beispielen darstellen, • dass physikalische Begriffe und Vorstellungen nicht statisch sind, sondern sich in einer fortwährenden Entwicklung befinden; • welche Faktoren zu Entdeckungen und Erkenntnissen führen (Intuition, Beharrlichkeit, Zufall, …). 7. WAHRNEHMUNG UND MESSUNG Die Schülerinnen und Schüler können den Zusammenhang und den Unterschied zwischen der Wahrnehmung beziehungsweise Sinneswahrnehmung und ihrer physikalischen Beschreibung bei folgenden Themenstellungen reflektieren: • Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören – Messung: Amplitude, Frequenz • Wahrnehmung: Schwere – Messung: Schwerkraft, Gravitationsfeldstärke • Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen – physikalische Beschreibung: Streuung, Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz – Messung: Intensität, Frequenz • Wahrnehmung: warm, kalt, Wärmeempfindung – Messung: Temperatur 8. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE GRÖSSEN Neben dynamischen Betrachtungsweisen kennen die Schülerinnen und Schüler vor allem die Erhaltungssätze und können sie vorteilhaft zur Lösung physikalischer Fragestellungen einsetzen. Die Schülerinnen und Schüler kennen technische Möglichkeiten zum „Energiesparen“ und zur Reduzierung von „Entropieerzeugung“. Die Schülerinnen und Schüler können mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen: • Zeit, Masse, Massendichte, Temperatur, Druck • Energie (Energieerhaltung) • elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung) • Kraft, Geschwindigkeit, Impuls (Impulserhaltung), Beschleunigung • Entropie (Entropieerzeugung) • qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls (Drehimpulserhaltung) • elektrische Feldstärke, Kapazität • magnetische Flussdichte, Induktivität • Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 5 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) 9. STRUKTUREN UND ANALOGIEN Die Schülerinnen und Schüler können − das magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltheorie verstehen, in der die Elektrodynamik auf vier Aussagen zurückgeführt wird; − ihre Vorstellungen und Ausdrucksweisen über Schwingungen und Wellen in eine angemessene Fachsprache überführen. Grundkenntnisse werden bei folgenden Themen erwartet: Inhalte: • Schall und Licht • Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand • Feld (qualitativ) - Gravitationsfeld - elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld, Induktion) • Schwingung (qualitativ) - harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung • Welle (qualitativ) - mechanische und elektromagnetische Welle • Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. NATURERSCHEINUNGEN UND TECHNISCHE ANWENDUNGEN Die Schülerinnen und Schüler können weitere Erscheinungen in der Natur und wichtige Geräte funktional beschreiben. Inhalte: • Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld • Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte • Alltagsgeräte (zum Beispiel Elektromotor) • Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (zum Beispiel Generator) – auch regenerative Energieversorgung (zum Beispiel Solarzelle, Brennstoffzelle) • Informationstechnologie und Elektronik – auch Schaltungen mit elektronischen Bauteilen Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 6 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) 11. STRUKTUR DER MATERIE Die Schülerinnen und Schüler können − Teilchenmodelle an geeigneten Stellen anwenden und kennen deren jeweilige Grenzen; − die Struktur der Materie auf der Basis einer quantenphysikalischen Modellvorstellung beschreiben. Inhalte: • Atomhülle - Energie-Quantisierung, Folgerungen aus der Schrödingergleichung • Atomkern • Aspekte der Elementarteilchenphysik - Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks 12. TECHNISCHE ENTWICKLUNGEN UND IHRE FOLGEN Die Schülerinnen und Schüler können − bei weiteren technischen Entwicklungen Chancen und Risiken abwägen; − Möglichkeiten reflektieren, durch die negative Folgen für Mensch und Umwelt minimiert werden Inhalte: • Natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt • Kernspaltung, Radioaktivität • Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen 13. MODELLVORSTELLUNGEN UND WELTBILDER Die Schülerinnen und Schüler können − Grenzen der klassischen Physik benennen; − die grundlegenden Gedanken der Quanten- und Atomphysik, Untersuchungsmethoden und erkenntnistheoretische Aspekte formulieren. Inhalte • geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern (zum Beispiel Sonnensystem, Universum, Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie, Kausalität, deterministisches Chaos) • Quantenphysik - Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten), stochastisches Verhalten, Verhalten beim Messprozess, Komplementarität, Nichtlokalität Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 7 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) IV. Kerncurriculum / Schulcurriculum Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Bemerkungen 4 + 3 Stunden Wiederholung grundlegender Begriffe 8. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE GRÖSSEN Zeit, Masse, Massendichte, Temperatur, Druck Energie (Energieerhaltung) Stromstärke, Potenzial, Spannung, Ladung (Ladungserhaltung) Kraft, Geschwindigkeit, Impuls (Impulserhaltung), Beschleunigung Entropie (Entropieerzeugung) qualitativ: Zentripetalkraft, Drehimpuls (Drehimpulserhaltung) Elektrische, mechanische und thermische Größen Strom-Antrieb-Konzept (mindestens einen Vergleich analoger elektr., mech. und therm. Systeme) Erhaltungssätze (Impuls, Ladung, Energie, Drehimpuls qualitativ) Entropieerzeugung mechanische, elektrische und thermische Energiespeicher und Energietransporte Kennlinien von Geräten Die Wiederholung kann auch an passenden Stellen zu einem späteren Zeitpunkt im Unterrichtsverlauf erfolgen. Planarbeit: – Stromstärke – Spannung – Elektrische Ladung – Widerstand 9. STRUKTUREN UND ANALOGIEN qualitativ: Gravitationsfeld Strom, Antrieb (Ursache) und Widerstand Energiespeicher und Energietransport Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 8 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Bemerkungen 10 + 4 Stunden Elektrisches Feld 7. WAHRNEHMUNG UND MESSUNG Wahrnehmung: Schwere – Messung: Schwerkraft, Gravitationsfeldstärke 8. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE GRÖSSEN Energie (Energieerhaltung) Stromstärke, Potenzial, Spannung, Ladung (Ladungserhaltung) elektrische Feldstärke, Kapazität 9. STRUKTUREN UND ANALOGIEN Feld (qualitativ) • Gravitationsfeld elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld) Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. NATURERSCHEINUNGEN UND TECHNISCHE ANWENDUNGEN Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte (zum Beispiel Elektromotor) Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (zum Beispiel Generator) – auch regenerative Energieversorgung (zum Beispiel Solarzelle, Brennstoffzelle) Informationstechnologie und Elektronik – auch einfache Schaltungen mit elektronischen Bauteilen Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Elektrische Feldstärke Gravitationsfeldstärke Analogiebetrachtungen zwischen elektrischem und Gravitationsfeld Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien) Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke bzw. Flussdichte Potenzial und Spannung im elektrischen Feld Quantitativer Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke im homogenen elektrischen Feld Simulationsprogramme Anwendung von Kondensatoren Kondensator, Kapazität Elektrische Feldkonstante Kapazität des Plattenkondensators Materie im elektrischen Feld, εr Elektrisches und Gravitationsfeld als Energiespeicher (quantitativ für Plattenkondensator, Gravitationsfeld im homogenen Bereich) Quantisierung der elektrischen Ladung Seite 9 Möglichkeit für Präsentationen oder Gruppenpuzzle: – Elektrisches Feld der Erde – Laserdrucker – Blitzableiter – Staubfilter bei Kohlekraftwerken Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Bemerkungen 10 + 4 Stunden Magnetisches Feld 8. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE GRÖSSEN qualitativ: Zentripetalkraft, magnetische Flussdichte, Induktivität Magnetische Flussdichte Magnetische Feldkonstante Materie im Magnetfeld, 9. STRUKTUREN UND ANALOGIEN Feld (qualitativ) • Gravitationsfeld elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld) 10. NATURERSCHEINUNGEN UND TECHNISCHE ANWENDUNGEN Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 μr Analogiebetrachtungen zwischen elektrischem, magnetischem und Gravitationsfeld Erdmagnetfeld Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Längsfeld Lorentzkraft, Betrag und Richtung Bewegung geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld (qualitativ) Kreisbahn quantitativ e/m-Bestimmung Kräftegleichgewicht zwischen elektrischer und magnetischer Kraft Halleffekt Wienfilter Seite 10 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Bemerkungen 12 + 4 Stunden Elektromagnetische Induktion 8. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE GRÖSSEN Energie magnetische Flussdichte, Induktivität 9. STRUKTUREN UND ANALOGIEN Feld (qualitativ) Gravitationsfeld elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld, Induktion) Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern elektrisches und magnetisches Feld Induktion Magnetischer Fluss Induktionsgesetz Magnetisches Feld und magnetische Flussdichte einer langgestreckten Spule Induktivität Induktivität der langgestreckten Spule Magnetisches Feld als Energiespeicher (quantitativ für Spule) Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen, Generatorprinzip Phänomen des Energietransports durch elektromagnetische Felder Energieversorgung Grundlegendes Prinzip eines Transformators Grundlagen der Maxwelltheorie, in der die Elektrodynamik auf 4 Aussagungen zurückgeführt wird: Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 • Positive Ladung als Quelle und negative Ladung als Senke des E Feldes • Quellenfreiheit des magnetischen B Feldes • Ein sich veränderndes B-Feld erzeugt ein E-Feld (Induktion) • Ein elektrischer Strom bzw. ein sich veränderndes E-Feld erzeugt ein B-Feld Seite 11 Alltagsgeräte: – Induktionsherd – Wirbelstrombremse – el. Weidezaun Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Mechanische und elektromagnetische Schwingungen 7. WAHRNEHMUNG UND MESSUNG Wahrnehmung: Lautstärke, Tonhöhe, Hören – Messung: Amplitude, Frequenz Beispiele für mechanische und elektromagnetische Schwingungen 8. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE GRÖSSEN Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Entropie (Entropieerzeugung) Energie (Energieerhaltung) Periodendauer 9. STRUKTUREN UND ANALOGIEN Schwingung (qualitativ) harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. NATURERSCHEINUNGEN UND TECHNISCHE ANWENDUNGEN Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte (zum Beispiel Elektromotor) Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Bemerkungen 8 + 2 Stunden An die Erarbeitung der Gemeinsamkeiten von Schwingungen ist gedacht. Frequenz Amplitude Analogie der Größen und Bauteile bei mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen Energiebilanzen in schwingenden Systemen Entropieerzeugung Dämpfung: Energie- und Entropiebilanz Seite 12 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Bemerkungen 20 + 9 Stunden Wellen 7. WAHRNEHMUNG UND MESSUNG Wahrnehmung: Helligkeit und Schatten, Farben, Sehen Physikalische Beschreibung: Streuung, Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz Messung: Intensität, Frequenz 8. GRUNDLEGENDE PHYSIKALISCHE GRÖSSEN Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit Mechanische Welle als Phänomen Eigenschaften von Wellen Lineare harmonische Querwelle Wellenlänge Ausbreitungsgeschwindigkeit Elektromagnetische Welle als Phänomen 9. STRUKTUREN UND ANALOGIEN Welle (qualitativ) - mechanische und elektromagnetische Welle Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. NATURERSCHEINUNGEN UND TECHNISCHE ANWENDUNGEN Erde: atmosphärische Erscheinungen, Treibhauseffekt, Erdmagnetfeld Mensch: physikalische Abläufe im menschlichen Körper, medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte Alltagsgeräte Informationstechnologie und Elektronik – auch Schaltungen mit elektronischen Bauteilen Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Hertz’scher Dipol Licht als elektromagnetische Welle Analogie mechanischer und elektromagnetischer Wellen, insbesondere Vergleich von Schall und Licht Reflexion (qualitativ) Streuung (qualitativ) Brechung (qualitativ) Anwendungen der Polarisation: Huygens’sches Prinzip Brechungsgesetz Dispersion Beugung (qualitativ) Polarisation (qualitativ) Seite 13 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan 12. TECHNISCHE ENTWICKLUNGEN UND IHRE FOLGEN Natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen Unterrichtsinhalte Überlagerung von Wellen (Interferenz, stehende Welle, Eigenschwingung) nur qualitativ Bemerkungen Zeigermodell Einzelspalt, Doppelspalt, Gitter Wahrnehmung von Helligkeit, Messung von Intensitätsverteilungen Erklärung im Zeigermodell Ausbreitungsgeschwindigkeit mechanischer und elektromagnetischer Wellen Methoden der Messung der Lichtgeschwindigkeit Überblick über das elektromagnetische Spektrum Strahlungshaushalt der Erde zum Treibhauseffekt siehe Klasse 10 Alltagsbezug elektromagnetischer Strahlung, Chancen und Risiken technischer Entwicklungen 2 Beispiele aus den folgenden: WLAN, Mobiltelefon, Hochspannungsleitung, Mikrowellenofen, schnurlose Telefone, Trafos in Wohnräumen Mit Berücksichtigung des Zusammenhanges zwischen Frequenz und Energie ist es empfehlenswert, diese Inhalte nach dem Fotoeffekt zu behandeln. Informationstechnologie und Elektronische Schaltungen Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 14 zur Informationstechnologie siehe Klasse 9 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Grundlagen der Quantenphysik 13. MODELLVORSTELLUNGEN UND WELTBILDER Grenzen der klassischen Physik benennen; Geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern − − − − − − (zum Beispiel Sonnensystem, Universum, Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie, Kausalität, deterministisches Chaos) Quantenphysik Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten), stochastisches Verhalten, Verhalten beim Messprozess, Komplementarität, Nichtlokalität Bemerkungen 14 + 4 Stunden Quantenobjekte: Stochastisches Verhalten Schulexperimente sind nur mit vielen Photonen oder vielen Elektronen möglich. Experimente mit einzelnen Quantenobjekten – wie sie in der aktuellen Forschung durchgeführt werden – lassen sich mithilfe von geeigneter Software oder Gedankenexperimenten darstellen (z.B. Doppelspaltexperiment, Interferometer) Zur Beschreibung der Phänomene sollte keine Modellvorstellung eingesetzt werden, in der das Nebeneinander von Wellen- und Teilchenmodell dargestellt wird. So kann z.B. die didaktische Reduktion der QED von Richard Feynman der Ausgangspunkt für diesen Unterrichtsgang sein. Hier kann das Zeigerkonzept erneut zum Einsatz kommen. Ein Quantenradierer-Experiment kann mit Einfachen Mitteln in der Schule durchgeführt werden. Quantenobjekte: Verhalten beim Messprozess (Präparation von Quantenobjekten, Determiniertheit der Wellenfunktion, Kollaps der Wellenfunktion) Schrödingers Katze Übergang vom Quantenobjekt zum klassischen Objekt, Dekohärenz Photoeffekt Planck’sches Wirkungsquantum Quantenobjekte: Zusammenhang Energie – Frequenz Quantenobjekte: Zusammenhang Impuls – Wellenlänge Quantenobjekte: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten) Quantenobjekte: Komplementarität (Ort-Impuls-Unbestimmtheit und Welcher-Weg-Information) Quantenobjekte: Nichtlokalität, insbesondere Verschränktheit Quantenobjekte: Erkenntnistheoretische Aspekte formulieren geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 15 Zum Beispiel: – Sonnensystem – Universum – Folgerungen aus der speziellen Relativitätstheorie – deterministisches Chaos Curriculum Physik 11/12 (2-stündig) Inhaltliche Kompetenzen lt. Bildungsplan Unterrichtsinhalte Bemerkungen Vertiefung der Quantenphysik 11. STRUKTUR DER MATERIE Die Struktur der Materie auf der Basis einer quantenphysikalischen Modellvorstellung beschreiben. Atomhülle: Linearer Potenzialtopf Die Schrödingergleichung und ihre Bedeutung für die Atomphysik Energie-Quantisierung, Folgerungen aus der Schrödingergleichung Atomkern Atomhülle und Energie-Quantisierung Linienspektren Atomkern 4 + 4 Stunden Hierbei ist nicht an eine mathematische Behandlung der Schrödingergleichung gedacht. Beispiele für Potenziale: • Eindimensionaler unendlich hoher Potenzialtopf. Hier ist die Analogie zwischen stehenden Wellen und Wellenfunktionen hilfreich. • Coulomb-Potenzial, Quantenzahlen und Orbitale beim Wasserstoffatom 12. TECHNISCHE ENTWICKLUNGEN UND IHRE FOLGEN Möglichkeiten reflektieren, durch die negative Folgen für Mensch und Umwelt minimiert werden. Kernspaltung, Radioaktivität Chancen und Risiken weiterer technischer Anwendungen Aspekte der Elementarteilchenphysik 11. STRUKTUR DER MATERIE Aspekte der Elementarteilchenphysik 3+1 Stunden Aspekte der Elementarteilchenphysik im Überblick: • Leptonen, Hadronen, Quarks Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks Oken-Gymnasium, Offenburg, März 2010 Seite 16 Curriculum Physik 11/12 (2-stündig)
