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Bildungsplan 2004 Allgemein bildendes Gymnasium Umsetzungsbeispiel für ein Kerncurriculum im Fach Physik Landesinstitut Standard Kursstufe (4-stündig) Beispiel 2 Qualitätsentwicklung und Evaluation für Schulentwicklung Schulentwicklung und empirische Bildungsforschung Bildungspläne März 2010 Hinweise zur Veröffentlichung von Kerncurricula Schulische Kerncurricula erheben nicht den Anspruch einer normativen Vorgabe, sie zeigen aber eine mögliche Umsetzung des Bildungsplans. Es handelt sich um Vorschläge, die bei der Erstellung oder Weiterentwicklung eines schul- und facheigenen Kerncurriculums ebenso dienlich sein können wie bei der konkreten Planung des eigenen Unterrichts. Weiterhin enthalten sind Hinweise auf Vertiefungsmöglichkeiten und Ergänzungen für den fächerübergreifenden Unterricht und das Schulcurriculum. Dabei ist zu bedenken, dass Curricula grundsätzlich keine für alle Zeiten abgeschlossenen Produkte sind, sondern sich in einem Entwicklungsprozess befinden, jeweils neuen Situationen vor Ort angepasst werden und nach Erfahrungswerten fortgeschrieben werden. Sie sind stark an den Kontext der jeweiligen Schule gebunden und müssen auch dort jeweils auf die individuelle Klassensituation bezogen werden. Kerncurriculum Physik 11/12 (4-stündiger Kurs) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Elektrodynamik: Elektromagnetische und mechanische Schwingungen und Wellen: Quantenphysik und Struktur der Materie: Kompetenzen (im Sinne der Fachmethoden – Kompetenznummern 1–6) 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 Kerncurriculum 140 Stunden 55 50 35 Kerncurriculum (2/3 der Zeit) Thema (im Sinne des Fachwissens – Kompetenznummern 7–13) 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 9. Strukturen und Analogien 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. 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 ange5. Anwendungsbezug und gesellschaftmessene Fachsprache und mathematische liche Relevanz der Physik Beschreibung überführen. 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 Kerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Schulcurriculum 70 Stunden 23 30 17 Klausuren 30 Stunden Inhalt (mit Angabe der Behandlungstiefe) – Elektrische, mechanische und thermische Größen – Strom-Antrieb-Konzept (mindestens einen Vergleich analoger elektr., mech. und therm. Systeme) Hinweis: Alle Inhalte der Bildungsstandards Physik für die Klassen 7–10 sind auch im Bildungsstandard für die Kursstufe 11–12 aufgeführt. Daher werden die Grundlagen der Bildungsstandards bis Klasse 10 vorausgesetzt. Die in diesem Kerncurriculum aufgeführten Inhalte (3. Spalte) werden in der Kursstufe vertieft behandelt. Schulcurriculum (1/3 der Zeit) Stun- Halb- Stun- Mögliche Ergänzungen und Vertiefungen den jahr den Methodisch-didaktische Hinweise Zusammenarbeit mit anderen Fächern 3 11.1 2 Praktikum: Messung von Spannungen und Stromstärken, Elektronik – Erhaltungssätze (Impuls, Ladung, Energie, Drehimpuls qualitativ) – Entropieerzeugung – mechanische, elektrische und thermische Energiespeicher und Energietransporte – Kennlinien von Geräten Seite 1 von 8 01.02.2009 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. 4. Spezifisches Methodenrepertoire der 10. Naturerscheinungen und technische – Informationstechnologie und ElektroniPhysik Anwendungen sche Schaltungen 2 11.1 0 16 11.1 7 Die Schülerinnen und Schüler können Die Schülerinnen und Schüler können Zusammenhänge zwischen physikalischen weitere Erscheinungen in der Natur und Größen untersuchen; Experimente selbst- wichtige Geräte funktional beschreiben. ständig 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. 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. 3. Formalisierung und Mathematisierung in der Physik Die Schülerinnen und Schüler können den funktionalen Zusammenhang zwischen physikalischen Größen erkennen, grafisch darstellen und Diagramme interpretieren; 8. Grundlegende physikalische Größen – Elektrische Feldstärke 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. – Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien) 9. Strukturen und Analogien – Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke bzw. Flussdichte – Potenzial und Spannung im elektrischen Feld Praktikum: Äquipotenziallinien Energieeinheit Elektronenvolt – Quantitativer Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke im homogenen elektrischen Feld – Elektrische Feldkonstante Die Schülerinnen und Schüler können das – Kondensator, Kapazität magnetische und elektrische Feld als physikalisches System beschreiben und – Kapazität des Plattenkondensators die Grundlagen der Maxwelltheorie verste- Kerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Einsatz geeigneter Software Seite 2 von 8 Praktikum: Verschiedenen Methoden zur Kapazitätsbestimmung 01.02.2009 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. hen, in der die Elektrodynamik auf vier – Materie im elektrischen Feld, εr Aussagen zurückgeführt wird; ihre Vorstel– Quantisierung der elektrischen Ladung, lungen und Ausdrucksweisen über Bewegung geladener Teilchen im elektSchwingungen und Wellen in eine angemessene Fachsprache und mathematische rischen Längsfeld Beschreibung überführen. – Elektrisches Feld als Energiespeicher (quantitativ für Plattenkondensator) 10. Naturerscheinungen und technische Anwendungen 4. Spezifisches Methodenrepertoire der Die Schülerinnen und Schüler können Physik weitere Erscheinungen in der Natur und Die Schülerinnen und Schüler können wichtige Geräte funktional beschreiben. 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. – Magnetische Flussdichte Millikanversuch, historische Bezüge 18 11.1 9 – Unterscheidung zwischen dem physikalischen System Feld und Feldstärke bzw. Flussdichte Wdh. Magnetismus, Magnetfeld eines stromdurchflossenen geraden Leiters – Visualisierung von Feldstärkeverteilungen (auch Feldlinien) Zentripetalkraft – Lorentzkraft, Betrag und Richtung e/m-Bestimmung – Bewegung geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld (qualitativ) – Kräftegleichgewicht zwischen elektrischer und magnetischer Kraft Praktikum / technische Anwendungen: Hallsonde, Fadenstrahlrohr, Oszilloskop, Teilchenbeschleuniger, Massenspektrometer, Festplatte, Funktionsweise von Drehspulinstrumenten, Elektromotor, Lautsprecher – Magnetisches Feld und magnetische Flussdichte einer langgestreckten Spule – Magnetische Feldkonstante Bestimmung von µ0, Magnetfeld der Erde – Materie im Magnetfeld, µr – Magnetischer Fluss – Induktion, Induktionsgesetz – Induktivität – Induktivität der langgestreckten Spule 16 11.2 5 Wirbelströme Lenz’sche Regel Induktionsherd Praktikum: Ein- und Ausschaltvorgänge bei Spulen – Magnetisches Feld als Energiespeicher (quantitativ für Spule) – Gravitationsfeldstärke – Analogiebetrachtungen zwischen elektrischem, magnetischem und Gravitationsfeld – Gravitationsfeld als Energiespeicher (quantitativ für Gravitationsfeld im hoKerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Seite 3 von 8 01.02.2009 mogenen Bereich) – Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen, Generatorprinzip – Phänomen des Energietransports durch elektromagnetische Felder – Grundlegendes Prinzip eines Transformators – Grundlagen der Maxwelltheorie, in der die Elektrodynamik auf 4 Aussagungen zurückgeführt wird: – Positive Ladung als Quelle und negative Ladung als Senke des E-Feldes – Quellenfreiheit des magnetischen BFeldes – Ein sich veränderndes B-Feld erzeugt ein E-Feld (Induktion) – Ein elektrischer Strom bzw. ein sich veränderndes E-Feld erzeugt ein BFeld 1. Physik als Naturbetrachtung unter bestimmten Aspekten 7. Wahrnehmung und Messung – Beispiele für mechanische und elektromagnetische Schwingungen Die Schülerinnen und Schüler können den Zusammenhang und den Unterschied – Frequenz zwischen der Wahrnehmung beziehungs– Periodendauer weise Sinneswahrnehmung und ihrer physikalischen Beschreibung bei folgenden – Amplitude Themenstellungen reflektieren. – Herleitung der entsprechenden Differen8. Grundlegende physikalische Größen zialgleichungen und Lösungen harmonischer Schwingungen Neben dynamischen Betrachtungsweisen kennen die Schülerinnen und Schüler vor – Analogie der Größen und Bauteile bei allem die Erhaltungssätze und können sie mechanischen und elektromagnetischen 3. Formalisierung und vorteilhaft zur Lösung physikalischer FraSchwingungen Mathematisierung in der Physik gestellungen einsetzen. Die Schülerinnen – Energiebilanzen in schwingenden SysDie Schülerinnen und Schüler können den und Schüler kennen technische Möglichtemen funktionalen Zusammenhang zwischen keiten zum Energiesparen“ und zur Reduphysikalischen Größen erkennen, grafisch zierung von „Entropieerzeugung“. Die – Dämpfung: Energie- und Entropiebilanz 12 11.2 6 Beschreibung von Schwingungen mit Zeigern ist sinnvoll 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. Kerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Seite 4 von 8 Wiederholung Vertiefung 01.02.2009 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. Schülerinnen und Schüler können mit weiteren grundlegenden physikalischen Größen umgehen. 9. Strukturen und Analogien – Mechanische Welle als Phänomen 10 11.2 8 – Eigenschaften von Wellen – Lineare harmonische Querwelle – Wellenlänge Die Schülerinnen und Schüler können das magnetische und elektrische Feld als – Ausbreitungsgeschwindigkeit physikalisches System beschreiben und die Grundlagen der Maxwelltheorie verste- – Lösungen der Wellengleichung: Auslenkung s(x,t) des Wellenträgers, Beispiele hen, in der die Elektrodynamik auf vier 4. Spezifisches Methodenrepertoire der entweder in Abhängigkeit des Ortes oder Aussagen zurückgeführt wird; ihre VorstelPhysik der Zeit lungen und Ausdrucksweisen über Die Schülerinnen und Schüler können Schwingungen und Wellen in eine ange– Überlagerung von Wellen (Interferenz, Zusammenhänge zwischen physikalischen messene Fachsprache und mathematische stehende Welle, Eigenschwingung) Größen untersuchen; Experimente selbst- Beschreibung überführen. – Elektromagnetische Welle als Phänoständig planen, durchführen, auswerten, 10. Naturerscheinungen und technische men grafisch veranschaulichen und einfache Anwendungen Fehlerbetrachtungen vornehmen; selbst– Licht als elektromagnetische Welle ständig Strukturen erkennen und Analogien Die Schülerinnen und Schüler können – Analogie mechanischer und elektromaghilfreich einsetzen; computerunterstützte weitere Erscheinungen in der Natur und netischer Wellen, insbesondere VerMesswerterfassungs- und Auswertungswichtige Geräte funktional beschreiben. gleich von Schall und Licht systeme im Praktikum selbstständig einsetzen; die Methoden der Deduktion und – Reflexion Induktion anwenden; geeignete Größen – Streuung (qualitativ) bilanzieren. Einsatz geeigneter Software Vertiefung Neue Unterrichtsmethoden Musikinstrumente 26 12.1 16 – Brechung (qualitativ) – Beugung – Polarisation (qualitativ) – Ausbreitungsgeschwindigkeit mechanischer und elektromagnetischer Wellen – Einzelspalt, Doppelspalt, Mehrfachspalt, Gitter – Wahrnehmung von Helligkeit, Messung von Intensitätsverteilungen – Spektren verschiedener Strahler und Spektrallampen (Zusammenhang und Unterschied zwischen Frequenz und Farbe) Messung der Lichtgeschwindigkeit Praktikum Wellenlängenmessung Interferenzphänomene in der Natur Vertiefung Übung – Überblick über das elektromagnetische Kerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Seite 5 von 8 01.02.2009 Spektrum – Strahlungsbilanz der Erde Neue Unterrichtsmethoden 1. Physik als Naturbetrachtung unter bestimmten Aspekten 10. Naturerscheinungen und technische – Alltagsbezug elektromagnetischer StrahAnwendungen lung, Chancen und Risiken technischer Entwicklungen Die Schülerinnen und Schüler können Die Schülerinnen und Schüler können zwischen Beobachtung und physikalischer weitere Erscheinungen in der Natur und – 2 Beispiele aus den folgenden: Erklärung unterscheiden; zwischen ihrer wichtige Geräte funktional beschreiben. WLAN, Mobiltelefon, HochspannungsleiErfahrungswelt und deren physikalischer tung, Mikrowellenofen, schnurlose Tele12. Technische Entwicklungen und ihre Beschreibung unterscheiden; die physikalifone, Trafos in Wohnräumen Folgen sche Beschreibungsweise anwenden; an Beispielen erläutern, dass naturwissenDie Schülerinnen und Schüler können bei schaftliche Gesetze und Modellvorstellun- weiteren technischen Entwicklungen gen Grenzen haben. Chancen und Risiken abwägen; Möglichkeiten reflektieren, durch die 5. Anwendungsbezug und gesellschaftnegative Folgen für Mensch und Umwelt liche Relevanz der Physik minimiert werden. 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. 1. Physik als Naturbetrachtung unter bestimmten Aspekten 13. Modellvorstellungen und Weltbilder – geschichtliche Entwicklung von Modellen und Weltbildern Die Schülerinnen und Schüler können Die Schülerinnen und Schüler können Grenzen der klassischen Physik benennen; zwischen Beobachtung und physikalischer die grundlegenden Gedanken der Erklärung unterscheiden; zwischen ihrer Quanten- und Atomphysik, Erfahrungswelt und deren physikalischer Untersuchungsmethoden und Beschreibung unterscheiden; die physikali- erkenntnistheoretische Aspekte sche Beschreibungsweise anwenden; an formulieren. Beispielen erläutern, dass naturwissenschaftliche Gesetze und ModellvorstellunKerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Seite 6 von 8 2 12.1 0 01.02.2009 gen Grenzen haben. 6. Physik als ein historischdynamischer Prozess Die Schülerinnen und Schüler können an Beispielen selbstständig 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, ...). 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. 13. Modellvorstellungen und Weltbilder – Photoeffekt Die Schülerinnen und Schüler können – Planck’sches Wirkungsquantum Grenzen der klassischen Physik benennen; – Quantenobjekte: die grundlegenden Gedanken der Zusammenhang Energie–Frequenz Quanten- und Atomphysik, Untersuchungsmethoden und – Quantenobjekte: erkenntnistheoretische Aspekte Zusammenhang Impuls–Wellenlänge formulieren. – Quantenobjekte: Interferenzfähigkeit (Superposition der Möglichkeiten) 6. Physik als ein historischdynamischer Prozess Die Schülerinnen und Schüler können an Beispielen selbstständig 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, ...). – Quantenobjekte: Komplementarität (Ort-ImpulsUnbestimmtheit und Welcher-WegInformation) 25 14 12.2 Veranschaulichung durch Software (milq) Elektronenbeugungsröhre Geschichtliche Bezüge und erkenntnistheoretische Aspekte – Quantenobjekte: Stochastisches Verhalten – Quantenobjekte: Verhalten beim Messprozess (Präparation von Quantenobjekten, Determiniertheit der Wellenfunktion, Kollaps der Wellenfunktion) Vertiefung Referate – Quantenobjekte: Nichtlokalität, insbesondere Verschränktheit – Quantenobjekte: Erkenntnistheoretische Aspekte formulieren Kerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Seite 7 von 8 Historisch: Franck-Hertz-Versuch, Entwicklung von Atommodellen 01.02.2009 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. 11. Struktur der Materie – Linearer Potenzialtopf Die Schülerinnen und Schüler können – Atomhülle und Energiequantisierung 10 12.2 3 Teilchenmodelle an geeigneten Stellen – Linienspektren anwenden und kennen deren jeweilige – Grundlegende Gedanken der SchrödinGrenzen; die Struktur der Materie auf der gergleichung und ihre Bedeutung für die Basis einer quantenphysikalischen ModellAtomphysik vorstellung beschreiben. – Atomkern – Aspekte der Elementarteilchenphysik im Überblick: – Leptonen, Hadronen, Quarks Exkursion Referate – Untersuchungsmethoden (Spektren, hochenergetische Strahlen, Detektoren) Kerncurriculum Physik Kursstufe (4-std) mit Hinweisen auf das Schulcurriculum – Beispiel 2 Seite 8 von 8 01.02.2009
