11 - Gymnasium Ettenheim
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Curriculum Physik Gymnasium Ettenheim Oberstufe 4-stündig Schuleigener Schwerpunkt: Teilchenbeschleuniger mit Exkursionen zu PSI in der Schweiz und LHC in Genf Seite 1 Thema Inhalte Gravitation und Gravitationsgesetz FG = γ zu Standards m1m2 r2 Gravitationsfeld und Feldstärke g über Gravitationskraft auf Probemasse g = G m Feldstärke Elektrisches Feld GravitationsFeld radiales und homogenes Feld, Visualisierung über Feldlinien und Feldvektoren € Wdh. elektrische Ladung, Strom als bewegte Ladung, Elektronen und Protonen im Atommodell € q1q2 ⇒ radiales Feld einer Punktladung Coulombgesetz FEl = k r2 Elektrische Feldstärke als Kraft auf Probekörper E = F q € E und Gravitationsfeldstärke g Elektrische Feldstärke € Homogenes Feld des Plattenkondensators als Superposition € ε Gravitationskonstante γ und Feldkonstante 0 € € Elektrisches Potenzial allgemein, Spannung als Potenzialdifferenz € € Feldstärke über Kraft auf gel. Probekörper an Faden: Vektoraddition der Kräfte, Kleinwinkelnäherung Spannung und elektrische Arbeit im Kondensatorfeld ⇒ E = U d Homogenes Feld Plattenkondensator Bewegung geladener Teilchen im E-Feld Elementarladung Q A = ε0 ; Dielektrikum im Feld, Polarisation: εr U d € € Gespeicherte Energie E = 1 2 QU = 1 2 CU2 Ladung und Spannung: Kapazität C = € Elektrisches Querfeld, Ablenkung in der Braunschen Röhre quantitativ € Elektronenkanone, Beschleunigung im Längsfeld eU = 1 2me v 2 Braunsche Röhre – Aufbau und Prinzip Das Oszilloskop, Prinzip und Bedienung (Praktikum) € Der Millikan-Versuch und e-Bestimmung 08. Grundlegende physikalische Größen elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung); elektrische Feldstärke, Kapazität 09. Strukturen und Analogien Feld (qualitativ); Gravitationsfeld, Gravitationslinsen; elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld); Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern € 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen Seite 2 Thema Magnetismus Magnetische Flussdichte Inhalte zu Standards Wdh. aus Mittelstufe: Permanent-Magnete, Elektromagnetismus, Magnetfeld 08. Grundlegende physikalische Größen magnetische Flussdichte, Induktivität; qualitativ: Zentripetalkraft Magnetische Flussdichte B als Kraft auf Probekörper B = F I⋅ s Lorentzkraft, Betrag und Richtung FL = Beve , Dreifinger-Regel Halleffekt und Hallsonde € Magnetisches Feld Homogenes Feld Spule Bewegung geladener Teilchen im E-Feld n € Homogenes Feld einer langgestreckten Spule; Magn. Feldkonstante und Materie im Feld B = µ0µr ⋅ Ι Helmholtz-Spulen, Messung mit Tesla-Meter Kreisbahn quantitativ, FL = FZ e U Bestimmung von e/m mit Fadenstrahlröhre =2 ⇒ Elektronenmasse m B2r 2 € Schraubenbahn; magnetische Flasche € Massenspektrograph mit Wien-Filter Kombinierte Felder Teilchenbeschleuniger, Zyklotron, Ringbeschleuniger Exkursion zu PSI LHC – Überblick: Anlage, Detektoren Das Standard-Modell € 09. Strukturen und Analogien elektrisches und magnetisches Feld, Lorentzkraft, Wechselwirkung mit Materie, Induktion, Naturkonstanten; Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen Energieversorgung: Kraftwerke und ihre Komponenten (zum Beispiel Generator); medizinische Geräte, Sicherheitsaspekte; Erdmagnetfeld 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen Die Entdeckung des Higgs-Teilchens!? Big-Bang-Theorie, kosmische Hintergrund-Strahlung Die Welt-Maschine LHC (in Referaten) Dunkle Materie und dunkle Energie String-Theorie, höhere Dimensionen ILC-Beschleuniger und XFEL (DESY) Supra-Leitung 11: Struktur der Materie Aspekte der Elementarteilchenphysik Überblick: Leptonen, Hadronen, Quarks 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen Anti-Materie Exkursion zu CERN 13. Modellvorstellung und Weltbilder Seite 3 Thema Inhalte zu Standards Magnetischer Fluss Φ = B ⋅ A⊥ Induktionsgesetz Induktionsgesetz UInd = −n ⋅ Φʹ′ = −n(B ⋅ A⊥ʹ′ + Bʹ′ ⋅ A⊥) , UInd = B ⋅ ⋅ v als Spezialfall; Lenzsche Regel; Induktivität einer Spule; Selbstinduktion; Induktivität und Magnetfeld + Energie im Magnetfeld€einer Spule ohne Herleitung; Wirbelströme phänomenal € Induktion Wechselspannung Maxwell-Gleichungen Mechanische Schwingungen Elektromagnetische Schwingung Resonanz Mechanische laufende Welle € Generator UInd = −n ⋅B ⋅ A⊥ʹ′ = n ⋅ ω ⋅ A ⋅ cos(ωt) experimentell an Drehrahmen in Helmholtzspulen Transformator, unbelastet, qualitativ U1 /U2 = n1 / n2 € qualitativ: 1) Ladungen als Quellen des el. Feldes, 2) Magnetfeld quellenfrei, 3) Zeitliche Änderungen des B-Feldes mit E-Feld verknüpft und 4) vice versa € Interferenz – lineare stehende Wellen Elektromagnetische Wellen Herleitung harmonische Schwingung T = 2π l / g Fadenpendel und T = 2π m /D Federpendel € € Analogie der Größen und Bauteile; Herleitung aus DGL ω = 1/ LC bzw. T = 2π LC € € Energiebilanzen; 1 2Ds2 ↔ 1 2 C−1Q 2 und 1 2mv2 ↔ 1 2LI2 € qualitativ; Dämpfung und Resonanzkatastrophe € € Licht als elektromagn. Welle 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen Lineare transversale Welle: c = λ / T = λ ⋅ f ; Longitudinale Wellen: Schallwellen; Superposition Interferenz und stehende Welle; Gangunterschied δ , Schnelle € auf begrenztem Träger, Kundtsches Rohr; Musikinstrumente Eigenschwingungen Elektromagnetische Welle als Phänomen;€Hertztscher Dipol elektromagn. Spektrum: Techn. Anwendungen, Radio, Mobilfunk, WLAN, Mikrowelle, Röntgen... Interferenzmuster; Beugung; Nahfeld (Hyperbeln) und Fernfeld in Näherung Wasserwellen; Ultraschall € ( ) Doppelspalt; Gitter sin αk = kλ / g ; Einzelspalt; Intensitätsverteilungen Spektren verschiedener Strahler, Frequenz und Farbe Reflexion, Brechung, Polarisation qualitativ € 08. Grundlegende physikalische Größen Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit € Ausbreitungsgeschwindigkeit c = 1/ ε 0µ0 s. Maxwell-Gleichungen Interferenz - Kreiswellen 09. Strukturen und Analogien elektrisches und magnetisches Feld, Lorentzkraft, Wechselwirkung mit Materie, Induktion Frequenz, Amplitude, Periodendauer: s(t) = a ⋅ sin(ωt) mit ω = 2π / T Schwingungen und Wellen 08. Grundlegende physikalische Größen magnetische Flussdichte, Induktivität 09. Strukturen und Analogien harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung, Differenzialgleichung; mechanische und elektromagnetische Welle (unter Einbezug von Licht); harmonische Welle, einfache mathematische Beschreibung, Überlagerungen von Wellen (stehende Welle, Interferenz), Reflexion, Streuung, Brechung, Beugung, Polarisation 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen Seite 4 Thema Inhalte Fotoeffekt Photon als Quantenobjekt Elektron als Quantenobjekt Quantenphysik und Aspekte der Quantentheorie Struktur der Materie Atom-Modelle H-Atom Energie-Quantisierung Atomhülle Kernphysik Entropie Fotoeffekt und Interpretation über Lichtquanten mit W = hf ; Umkehrung – Leuchtdiode; h-Bestimmung über h = ΔW / Δf Compton-Effekt qualitativ € € Verhalten, Interferenz durch Superposition, „Welle-Teilchen- 11: Struktur der Materie Doppelspalt-Interpretation: stochastisches Atomhülle; Energie-Quantisierung, Dualismus“ grundlegende Gedanken der Schrödingergleichung und ihre Elektronenbeugung und de Broglie-Wellenlänge λ B = h / p ; Bragg-Bedingung sinϕ = k ⋅ λ /(2d) Bedeutung für die Atomphysik; Atomkern; Untersuchungsmethoden (Spektren, hochenergetische Interferenzfähigkeit - Superposition und stochastisches Verhalten allgemein Strahlen, Detektoren) € € Komplementarität: Ort-Impuls-Unbestimmtheit und Welcher-Weg-Information Determiniertheit und Kollaps der Wellenfunktion - Schrödingers Katze und Dekohärenz Nichtlokalität, insbesondere Verschränktheit Heißenbergsche Unbestimmtheitsrelation Von Bohrschen Kreisen zu Orbitalen Qualitativ: Schrödinger-Gleichung Linearer Potenzialtopf und Energiequantisierung; Quantenzahlen insbesondere fürs H-Atom Linienspektren: Balmer-Serie und Na-Linien Franck-Hertz-Versuch; Resonanz-Floureszenz Orbital-Modell und Periodensystem; Spin 13. Modellvorstellung und Weltbilder geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern; Quantenphysik: Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten), stochastisches Verhalten, Verhalten beim Messprozess, Komplementarität, Nichtlokalität Struktur des Atomkerns bis zu Quarks und Gluonen wird bei LHC ausführlich behandelt Thermodynamische Grundlagen, Entropie ΔS = Q T 08. Grundlegende physikalische Größen Entropie(erzeugung) € Natürlicher und anthropogener Treibhauseffekt Brennstoffzelle und Solarzelle – Autos der Zukunft 10./12. Technische Entwicklungen und ihre Anwendungen/Folgen Treibhauseffekt; regenerative Energieversorgung Thermodynamik Treibhauseffekt Regenerative Energie zu Standards Oberstufe 2-stündig Curriculum Physik Gymnasium Ettenheim Thema Seite 1 Inhalte Elektrische Grundgrößen und Verhalten in Schaltungen Elektrostatik Elektrische Grundbegriffe, Elektrisches Feld zu Standards Spannung, Stromstärke, Widerstand, Reihen-, Parallelschaltung von Widerständen, Schaltungsberechnungen Ladung, geladen, ungeladen, positive/negative Ladung, Elektron, Influenz, Feldbegriff, Feldlinien, homogenes/inhomogenes Feld, Ladungstransport, Def. Elektrische Feldstärke, ε 0 , ggf. Elementarladungsbestimmung durch Millikan (Schülerreferat), ggf. Coulombkräfte (Schülerreferat) € Potential Elektrisches Potential vs. Gravitationspotential, Äquipotentiallinien, Erdung – Nullpotential, Spannung, Potentiale in Schaltungen und im E-Feld (Praktikum), ggf. Elektrische Potentiale beim Menschen (Schülerreferat) 08. Grundlegende physikalische Größen elektrische Stromstärke, elektrisches Potenzial, elektrische Spannung, elektrische Ladung (Ladungserhaltung); elektrische Feldstärke, Kapazität 09. Strukturen und Analogien Feld (qualitativ); Gravitationsfeld, Gravitationslinsen; elektromagnetisches Feld (elektrisches und magnetisches Feld); Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen Kondensator Geladene Teilchen im EFeld Wiederholung Magnetisches Feld Magnetisches Feld Lorentzkraft Geladene Teilchen im BFeld U , Auf- und Entladevorgang, Praktikum: Kapazitätsbestimmung über Entladekurve, 08. Grundlegende physikalische d Größen Dielektrikum (ggf. ergänzt durch Schülerreferat) magnetische Flussdichte, Induktivität; qualitativ: Zentripetalkraft Braun’sche Röhre, Elektronengeschwindigkeit nach Beschleunigung im E—Feld, Ablenkung im E-Feld € nur qualitativ 09. Strukturen und Analogien elektrisches und magnetisches Feld, Permanentmagnetismus, Eisenspänebilder, Nord-Südpol-Wirkungen, Magnetisierung, Erdmagnetfeld, Lorentzkraft, Wechselwirkung mit Kompass Materie, Induktion, Naturkonstanten; Energiespeicher und Energietransport auch in Feldern Problem der Festlegung der magnetischen Feldstärke, magnetische Feldlinien, homogenes/inhomogenes Magnetfeld, Feldlinienbilder bei Stabmagnet, Hufeisenmagnet, Spule und 10. Naturerscheinungen und Erde, Def. Magn. Flussdichte B, B-Feld einer langen Spule, Messung der Flussdichte des technische Anwendungen Erdmagnetfeldes (Praktikum) Energieversorgung: Kraftwerke und Lorentzkraft auf einen stromdurchflossenen Leiter, Lorentzkraft auf ein einzelnes Elektron, Hall-Effekt, ihre Komponenten (zum Beispiel Generator); medizinische Geräte, Messung der magn. Flussdichte, Sicherheitsaspekte; Erdmagnetfeld Def. Kapazität, E = - Kreisbahn von e im B-Feld, Fadenstrahlrohr, Bahnradius bzw. me-Bestimmung (ggf. Schülerreferat) 12. Technische Entwicklungen und ihre Folgen Seite 2 Thema Inhalte Wiederholung Elektromagnetische Induktion Formale Beschreibung Anwendungen Phänomenologisches Praktikum in verschiedenen Stationen Herleitung Induktionsgesetz isoliert für B- bzw. A-Änderung, Selbstinduktion und Induktivität, Lenz’sche Regel, Wirbelstrombremse (ggf. Schülerreferat), Induktionskochplatte, Zusammenhang zur Lorentzkraft, Polarlicht ggf. magnetische Flasche/magnetische Linse (Schülerreferat) Ursachen und Kenngrößen einer Schwingung Begriffe Elongation, Rückstellkraft, Harmonie, frei, erzwungen, gedämpft, Wiederholung Begrifflichkeiten der Kreisbewegung (Bogenmaß, Drehfrequenz, Winkelgeschwindigkeit, …) Experimentelle vs. (unten) Bestimmung der Schwingungsdauer eines Fadenpendels im Experiment, Einflussgrößen, selbständige Formelentwicklung (Praktikum), Übungen Theoretische Physik Differentialgleichungen Elongations-Kraft-Gesetz beim Federpendel, beim Fadenpendel, Festlegung harmonische Schwingung formal, Schwingungsdauer bei Federpendel und Fadenpendel und Vergleich von letzterem mit experimentellem Ergebnis Gleichungsentwicklung für das Federpendel, intuitives Lösungsverfahren, Schwingungen Elektromagnetische Schwingung Bauteile Schwingkreis, U(t) und I(t) -Verlauf im Detail, Formeln zum Schwingkreis € € zu Standards 08. Grundlegende physikalische Größen magnetische Flussdichte, Induktivität 09. Strukturen und Analogien elektrisches und magnetisches Feld, Lorentzkraft, Wechselwirkung mit Materie, Induktion 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen 08. Grundlegende physikalische Größen Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit 09. Strukturen und Analogien harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung, Differenzialgleichung; mechanische und elektromagnetische Welle (unter Einbezug von Licht); harmonische Welle, einfache mathematische Beschreibung, Überlagerungen von Wellen (stehende Welle, Interferenz), Reflexion, Streuung, Brechung, Beugung, Polarisation 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen Seite 3 Thema Eindimensionale Wellen Inhalte Mechanische Störungen Störungen auf dem Wellenträger, Begriffe Wellenberg, Wellental, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Reflexion von Berg und Tal am offenen und losen Ende Wellenbegriff Periodische Erregung und Übergang zur Welle, Frequenz, Wellenlänge, c = λf , Differenzierung zwischen Wellenlinie und Schwingungsdiagrammen, Dopplereffekt (ggf. Schülerreferat) Überlagerung € Wellen auf dem unendlichen Eindimensionale Überlagerung von Störungen, Überlagerung von eindimensionalen Wellenträger, Koordinatenaddition und Zeigeraddition Stehende Wellen Resonanzen auf dem beschränkten Wellenträger bei festem und losem Ende, stehende Welle, Resonanzbedingungen Anwendungsbeispiele Versuche mit Ultraschall, Musikinstrumente (ggf. Schülerreferat), … Beispiele Wasserwellen, Ultraschallwellen, Huygen’sches Wellenmodell (ggf. Schülerreferat), 2-dimensionales Wellenfeld Gangunterschied, Phasendifferenz, Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz im zweidimensionalen Wellenfeld Mehrdimensionale Wellen Quantenphysik Licht als Welle Wellencharakter von Licht, Doppelspaltversuch, Interferenz bei Licht, Gitter, Praktikum: Spektralanalyse Leuchtstoffröhre mit Gitter, Rillenbreitebestimmung CD mit Laser, Interferenz an dünnen Schichten (ggf. Schülerreferat) Hertz-Dipol Übergang Schwingkreis-> Hertz-Dipol, Versuche mit dem Hertz-Dipol-Sender, Eigenschaften der Hertz’schen Welle, kapazitive & induktive Antenne, Polarisation, Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Informationsübertragung mithilfe EM-Wellen (ggf. Schülerreferat) Elektromagnetisches Spektrum Erzeugung von Röntgenstrahlung, elektromagnetisches Spektrum, ggf. Bragg-Reflexion und Demoversuch zur Bestimmung des Kristallgitterabstandes bei LiF Das Photon als Quantenobjekt Photoeffekt, Energie des Photons, Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquantums, Bezug zu den Standards 08. Grundlegende physikalische Größen Frequenz, Periodendauer, Amplitude, Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit 09. Strukturen und Analogien harmonische mechanische und elektromagnetische Schwingung,; mechanische und elektromagnetische Welle (unter Einbezug von Licht); harmonische Welle, einfache mathematische Beschreibung, Überlagerungen von Wellen (stehende Welle, Interferenz), Reflexion, Streuung, Brechung, Beugung, Polarisation 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen 11: Struktur der Materie Atomhülle; Energie-Quantisierung, Das Elektron als Quantenobjekt Doppelspalt-Versuch, „Welle-Teilchen-Dualismus“, Energie-Quantisierung der Atomhülle Emissions- und Absorptionsspektren an verschiedenen Beispielen, Laser (ggf. Schülerreferat) 13. Modellvorstellung und Weltbilder geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern; Quantenphysik: Merkmale und Verhalten von Quantenobjekten:
