Jgst. Licht und Materie Mechanik Elektrizitätslehre 7 (NT

Jgst.
Licht und Materie
Mechanik
Elektrizitätslehre
Grundgrößen der Kinematik:
 Geschwindigkeit und Beschleunigung
Elektrischer Stromkreis:
 Bestandteile eines Stromkreises
 Strom als Bewegung von Ladungen, einf. Atommodell
 Wirkungen des elektrischen Stroms
 Gefahren beim Umgang mit Elektrizität
 einfache Stromkreise in Technik und Haushalt
Schwerpunkt Physik im Fach Natur und Technik
7 (NT)
Geradlinige Ausbreitung des Lichts:
 Licht und Schatten
 Mondphasen, Sonnen- und Mondfinsternis
Bilder bei Spiegeln und Sammellinsen:
 Reflexion und Spiegelbild
 Brechung, Sammellinsen, reelle Bilder
 Auge und Fehlsichtigkeit / optische Geräte
Farben:
 Spektralzerlegung weißen Lichts, Regenbogen
 Farbwahrnehmung und „Sehen“
Kraft und Bewegungsänderung:
 Kraftpfeile, Trägheitssatz und Kräftegleichgewicht
 Kraft als Ursache von Bewegungsänderungen
 F = ma, Newton als abgeleitete Einheit
Überblick über Kraftarten und ihre Ursachen:
 Gravitations- und elektr. Kraft, Wechselwirkungsgesetz
 Fallbeschleunigung und Gewichtskraft
 Hinweis auf Reibungs- und magnetische Kraft
 Kräfteaddition
Kraft und Verformung:
 Dehnungs-Kraft-Gesetz
 Gesetz von Hooke
Magnetismus:
 Dauermagnet
 Elektromagnet
Größen zur Beschreibung des elektrischen Stromkreises:
 Stromstärke, Spannung, Widerstand
 Messen elektrischer Größen
Energieerhaltung – ein fundamentales Naturprinzip
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Aufbau der Materie:
 Teilchenmodell der Materie
 Aggregatzustände: Gase, Flüssigkeiten, feste Körper
 Temperatur und absoluter Temperaturnullpunkt
 Schmelzen, Sieden und Verdunsten
Innere Energie:
 innere Energie
 Änderung der inneren Energie durch Arbeit / Wärme
 Änderung des Aggregatzustands durch Arbeit / Wärme
Volumenänderung:
 Volumenänderung bei Gasen, Flüssigkeiten, Festkörpern
 Anomalie des Wassers
Überblick über verschiedene Energieformen:
 Energieformen und Energieumwandlungen
 Prinzip der Energieerhaltung
Energieformen in der Mechanik:
 Höhenenergie, kinetische Energie, Spannenergie (qual.)
 Anwendung der Energieerhaltung zur quantitativen
Beschreibung von Energieumwandlungen
 mechanische Arbeit
 Goldene Regel der Mechanik, Kraftwandler
 Leistung und Wirkungsgrad
 Perpetuum mobile
Widerstände in einfachen Stromkreisen:
 Stromstärke und Ladung, Elementarladung
 Ohmsches Gesetz
 Reihen- und Parallelschaltung
Elektrische Energie und Leistung:
 Elektrische Energie, Umwandlung in andere Energien
 Elektrische Leistung
Einblick in die Energieversorgung:
 Energieversorgung und Ressourcen
 Umweltfragen und Zukunftsperspektiven
Physik als Grundlage moderner Technik
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Aufbau der Atome:
 Atom- und Kerndurchmesser, Rutherford-Streuung
 Protonen und Neutronen, Hinweis auf Quarks
Aufnahme und Abgabe von Energie:
 Photonenmodell des Lichts
 Emissionsspektren, Energiestufen der Atomhülle
 Absorption als Umkehrprozess der Emission
 Röntgenstrahlung
 technische / medizinische Anwendungen
Strahlung radioaktiver Nuklide:
 Arten radioaktiver Strahlung
 Funktionsprinzip eines Nachweisgeräts
 Zerfall radioaktiver Stoffe, Halbwertszeit
 biologische Strahlenwirkung und Strahlenschutz
 Radioaktivität in Medizin, Biologie und Technik
Darstellung von Bewegungsabläufen in Diagrammen:
 Zeit-Ort-Diagramme
 Zeit-Geschwindigkeits-Diagramme
 quantitative Untersuchung von Bewegungsabläufen mit
abschnittsweise konst. Beschleunigung an Diagrammen
Bewegungen unter konstanter Krafteinwirkung:
 Kraft und Bewegung
 Bewegungsfunktionen (t-s, t-v, t-a)
 Kräftezerlegung (insb. schiefe Ebene)
 Vergleich mit experimentell gewonnenen Daten
 Gewichtskraft und freier Fall
Kernumwandlungen:
 Kernzerfall, Kernspaltung und Kernfusion
 Energiebilanz bei Spaltung und Fusion
 Äquivalenz von Masse und Energie
Physikalische Weltbilder
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 Geozentrisches und heliozentrisches Weltbild
 Kepler’sche Gesetze, Anwendung auf die Bewegung von Himmelskörpers
 Überblick über Urknall, Expansion und Struktur des Universums
Wellenphänomene:
 Transversal- und Longitudinalwellen
 Interferenz kreisförmiger Wellen, Beugung
Wellen- und Teilchencharakter des Lichts:
 Interferenz von Licht am Doppelspalt (qualitativ)
 Photoeffekt (qualitativ)
 Zusammenhang: Wellenlänge und Photonenenergie
Teilchen- und Wellencharakter von Elektronen:
 Elektronenbeugung (qualitativ)
 Doppelspaltexperiment mit Elektronen (Simulation)
Photonen und Masseteilchen als Quantenobjekte:
 Aufgabe der klassischen Vorstellung von Ort / Geschw.
 Unmöglichkeit der Vorhersage von Einzelereignissen
 Quantenphysik als Grundlage moderner Technologien
Eindimensionale Bewegungen:
 Newton’sche Gesetze
 numerisches Lösen von Bewegungsgleichungen
 Überprüfung des Verfahrens an Bewegungen unter
konstanter Krafteinwirkung (z.B. freier Fall)
Impuls als Erhaltungsgröße:
 Impulserhaltungssatz
 Anwendung von Impuls- und Energieerhaltungssatz
Zweidimensionale Bewegungen:
 Waagrechter Wurf
 Kreisbewegung: Winkelgeschwindigkeit, Zentripetalkraft
 Newton’sches Gravitationsgesetz, Planetenbewegungen
Ausblick auf die Grenzen der Newton’schen Mechanik:
 starke und schwache Kausalität (Chaostheorie)
 Grundaussagen der speziellen Relativitätstheorie
Magnetisches und elektrisches Feld:
 magnetisches und elektrisches Feld, Feldlinienbilder
 Kräfte auf freie Ladungen in elektrischen Feldern
 Kräfte auf freie Ladungen im Magnetfeld, Lorentzkraft
 Kräfte auf stromdurchflossene Leiter im Magnetfeld
 Elektromotor
Induktion:
 Erzeugen von Induktionsspannungen
 Generator
 Transformator
 Lenz’sche Regel
Elektrische und magnetische Felder – Relativitätstheorie
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Statisches elektrisches Feld:
 Elektrische Felder und Feldlinienbilder
 Kraftwirkung auf Probeladungen
 Elektrische Feldstärke (Vektorcharakter)
 potentielle Energie geladener Teilchen im Kondensator
 Potential, Spannung und elektrische Feldstärke
 Kondensator als Ladungsspeicher, Kapazität
 Kondensator als Energiespeicher
 Kraft zwischen Punktladungen ( Gravitationsgesetz!)
 Überlagerung von elektrischen Feldern
Statisches magnetisches Feld:
 Magnetfelder und Feldlinienbilder
 Permanentmagnete und Weiß’sche Bezirke
 Magnetische Flussdichte
 Feldlinienverlauf bei geradem Leiter und Spule
Lehrplanalternative: Biophysik
Bewegung geladener Teilchen in Feldern:
 Bewegung geladener Teilchen in hom. elektr. Feldern
(Längs- und Querfeld, Braun’sche Röhre)
 Bewegung geladener Teilchen in hom. Magnetfeldern
(Kreisbahnen, e/m-Bestimmung, Hall-Effekt)
 einfacher Massenspektrograph
 Zyklotron, Teilchenbeschleuniger
Elektromagnetische Induktion:
 Induktion im bewegten und ruhenden Leiter
 magnetischer Fluss und Induktionsgesetz
 Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung
 Energieerhaltung und Lenz’sche Regel
 Ein- und Ausschaltvorgänge bei der Spule, Induktivität
 Energie des magnetischen Feldes
Einblick in die spezielle Relativitätstheorie:
 Massenzunahme, relativistische Masse, E = mc²
 Postulate der speziellen Relativitätstheorie
 Zeitdilatation, Längenkontraktion
 Auswirkungen auf Vorstellung von Raum und Zeit
Elektromagnetische Schwingungen und Wellen:
 elektromagnetische Schwingungen, Schwingkreis
 Analogie zwischen mech. und elektr. Schwingung
 Abhängigkeit der Schwingungsdauer
 Erzeugung ungedämpfter elmag. Schwingungen
 Erzeugung und Ausbreitung elmag. Wechselfelder, Dipol
 Elmag. Wellen (Reflexion, Brechung, Interferenz,
Beugung, Polarisation), Huygens’sches Prinzip
 stehende Wellen als Interferenzphänomen
 Interferenz von Licht am Doppelspalt
 Licht als elektromagnetische Welle
 Beugungsgitter und Wellenlängenbestimmung von Licht
Aufbau der Materie
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Eigenschaften von Quantenobjekten:
 Photoeffekt (quantitativ), Deutung nach Einstein
 Teilchencharakter, Energie und Impuls des Photons
 Wellencharakter von Elektronen
 Impuls und Wellenlänge des Elektrons (de Broglie)
 Elektronenbeugungsröhre, Doppelspalt- und Gitterversuche, Elektronenmikroskop
 Wahrscheinlichkeitsaussagen zu Quantenobjekten
 Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation
Ein Atommodell der Quantenphysik:
 Emission und Absorption von Photonen, Linienspektren
 Energiestufen, Energieniveauschema
 Elektron im eindimensionalen Potentialtopf
 Hinweis auf zeitunabhängige Schrödingergleichung
 Hinweis auf Tunneleffekt
 graphische Veranschaulichung der Lösungen der
Schrödingergleichung, Orbitale
 stehende Elektronenwellen und Knotenflächen
 experimentelle Bestätigung durch Spektrallinien von H
Lehrplanalternative: Astrophysik
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



Elektronenzustände und Quantenzahlen, Pauli-Prinzip
Periodensystem und Quantenzahlen
Energieaufnahme durch Stöße (Franck-Hertz-Versuch)
Röntgenstrahlung (Erzeugung, Spektrum)
Anwendung: Spektroskopie, Astronomie, Laser, ...
Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie:
 Entdeckung des Atomkerns, Rutherford-Streuung
 Zusammensetzung der Hadronen aus Quarks
 Quarks, Leptonen und ihre Antiteilchen
 fundamentale WW und ihre Austauschteilchen
Ein einfaches Kernmodell der Quantenphysik:
 Massendefekt, mittlere Bindungsenergie pro Nukleon
 „Energiegewinnung“ aus Atomkernen
 Eigenschaften der Kernkraft, Potentialtopfmodell
 Energieniveaus für Protonen und Neutronen
 diskrete Energiewerte von -Quanten
 Stabilität von Atomkernen
 Entstehung von - und -Strahlung
Radioaktivität und Kernreaktionen:
 Experimente zur Unterscheidung der Strahlungsarten
 natürliche Zerfallsreihen, Nuklidkarte
 Abstandsgesetz
 Zerfallsgesetz
 Altersbestimmung (C14-Methode)
 Strahlenbelastung: natürliche und künstliche Strahlung
 Maßnahmen zum Strahlenschutz
 Energie- und Impulsbilanzen bei Kernreaktionen
 Kernspaltung, Kettenreaktion, Kernreaktor
 Kernfusion, Fusionsreaktor
 Entdeckung und Nachweis des Neutrons
 Anwendungen in der Medizin
 Chancen und Risiken der Kernenergietechnik
 Entsorgung radioaktiver Materialien