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Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20. Mai 2009 Lehrplan für das Berufskolleg Technisches Berufskolleg II Technische Physik Schuljahr 1 Der Lehrplan tritt am 1. August 2009 in Kraft. Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc 2 Technische Physik Vorbemerkungen Das Fach Technische Physik Das Fach Technische Physik baut auf dem Fach Grundlagen der Technik aus dem Technischen Berufskolleg I auf. Die physikalischen Begriffe, Modelle, Denk- und Arbeitsweisen, welche die Schülerinnen und Schüler im Fach Grundlagen der Technik als die grundlegenden Prinzipien der sie umgebenden und von ihnen genutzten Technik erkannt haben, stehen jetzt im Mittelpunkt des Unterrichts. Vorbereitend auf die Fachhochschule werden die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen, die physikalischen Sätze und Gesetze sowohl in der Fachsprache als auch in der mathematischen Formelsprache ausgedrückt. Die Aufwertung der mathematischen Formelsprache und das verstärkte Arbeiten mit ihr zeigen den Schülerinnen und Schülern die damit verbundene Vereinfachung der Darstellung ebenso wie die damit verbundene Steigerung des Abstraktionsgrades. Der Lehrplan berücksichtigt, dass die Schülerinnen und Schüler, welche das Technische Berufskolleg II inklusive der Assistentenausbildung mit dem entsprechenden Notendurchschnitt abschließen, in das zweite Jahr der Technischen Oberschule eintreten und dort die fachgebundene Hochschulreife ablegen können. Ziele des Unterrichts Ergänzend zu den Unterrichtszielen des Faches Grundlagen der Technik im Technischen Berufskolleg I können die Schülerinnen und Schüler – innerhalb einer gegebenen technischen oder physikalischen Fragestellung die Zusammenhänge zwischen den beteiligten physikalischen Größen in der Fachsprache und in der mathematischen Formelsprache beschreiben und durch Bilder und Diagramme veranschaulichen. – bei der Beschreibung und Behandlung physikalischer Zusammenhänge die der gegebenen Fragestellung angepasste Erklärungs- und Behandlungstiefe, sowie den passenden Abstraktionsgrad wählen. – erarbeitetes Wissen strukturieren und vernetzen und es bei der Bearbeitung neuer Fragestellungen gewinnbringend einsetzen. – komplexere Sachverhalte und Vorgänge, bei denen mehrere Formeln auftreten, ordnend miteinander verknüpfen – mit dem Spannungsverhältnis zwischen mathematischer Exaktheit und physikalischer Messungenauigkeit sinnvoll umgehen. – die Universalität und den Nutzen von Modellvorstellungen erkennen und Modelle bei der Lösung von (physikalischen) Problemen bewusst einsetzen. Allgemeine Hinweise zum Lehrplan Mit der Abfolge der Lehrplaninhalte soll keine Reihenfolge für den Unterricht vorgegeben werden. Die den Lehrplaninhalten zugeordneten Zeitrichtwerte geben den unterrichtenden Kolleginnen und Kollegen einen Hinweis auf die Gewichtung der einzelnen Lehrplaninhalte im Verlauf ihres Unterrichts. Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc Technische Physik 3 Auch wenn die physikalischen Modelle und Methoden, sowie die Mathematik als wesentliches Instrument im Umgang mit diesen Modellen, im Zentrum des Unterrichts stehen, muss der Unterricht an die Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler angebunden bleiben. Die Laborübungen bieten einerseits Gelegenheit, die individuellen Fragen der Schülerinnen und Schüler zu den behandelten physikalischen Problemstellungen in kleiner Gruppe zu besprechen, andererseits üben die Schülerinnen und Schüler den praktischen Umgang mit physikalischen Theorien und mathematischen Methoden. Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc 4 Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Technische Physik Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc Technische Physik 5 Lehrplanübersicht Schuljahr 1 Zeitrichtwert Lehrplaneinheiten 1 Kreisbewegungen 2 Impuls und Stoßprozess 3 Elektrische und magnetische Felder 4 Bewegung von Körpern in homogenen Kraftfeldern 5 Elektromagnetische Induktion 6 Mechanische Schwingungen 7 Wahlthemen Zeit für Leistungsfeststellung und zur möglichen Vertiefung 15 15 42 25 25 18 40 Gesamt- Seite stunden 180 60 7 7 8 8 9 9 10 240 Hinweis: Der wöchentliche Unterricht im Fach Technische Physik gliedert sich in – vier Stunden Unterricht im Klassenverband und – zwei Stunden Laborübungen, in denen die Klasse geteilt wird. Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc 6 Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Technische Physik Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc Technische Physik 7 Schuljahr 1 1 Zeitrichtwert Kreisbewegungen 15 Die Schülerinnen und Schüler beherrschen die Kinematik und die Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung. Sie sind in der Lage, physikalische bzw. technische Problemstellungen im Zusammenhang mit der Kreisbewegung zu lösen. Kinematik der gleichförmigen Kreisbewegung eines Massepunktes Bogenmaß, Bahngeschwindigkeit, Winkelgeschwindigkeit Dynamik der gleichförmigen Kreisbewegung Zentripetalbeschleunigung az, Zentripetalkraft Fz Bewegungen eines Körpers auf kreisförmiger Bahn Looping und Kurvenfahrt, die überhöhte Kurve mit Reibung muss nicht behandelt werden 2 Impuls und Stoßbewegungen 15 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung des Impulses als Erhaltungsgröße mit Vektorcharakter bei der Wechselwirkung zwischen den unterschiedlichen Bestandteilen eines Systems oder zwischen verschiedenen Systemen. Selbst bei komplexen Wechselwirkungen können die Schülerinnen und Schüler mithilfe des Energieerhaltungssatzes und des Impulserhaltungssatzes vom Anfangszustand auf den Endzustand und umgekehrt schließen. Die Wechselwirkung innerhalb eines Systems und zwischen Systemen – Stoßprozesse – Impuls als Erhaltungsgröße Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Energie- und Geschwindigkeitsbetrachtungen bei unelastischen, elastischen und realen zentralen Stößen Impulsaustausch bei Wechselwirkung ausgehend vom Newton'schen Wechselwirkungsgesetz Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc 8 3 Technische Physik Elektrische und magnetische Felder 42 Die Schülerinnen und Schüler lernen mit Kondensator und Spule wichtige Bauteile elektrischer Schaltungen kennen. Mit dem Feldbegriff wird ein übergreifendes physikalisches Modell geschaffen. Die Schülerinnen und Schüler verbinden mithilfe von Analogiebetrachtungen Problemstellungen aus verschiedenen physikalischen Gebieten und bearbeiten sie mit demselben Formalismus. Elektrisches Feld – elektrische Feldstärke, elektrische Spannung – Flächenladungsdichte, Grundgleichung der Elektrostatik – Kondensator – Energie des geladenen Kondensators – elektrisches Potenzial; Potenzialdifferenz Reibungselektrizität, Ladungsarten, Ladungserhaltung, Kraftwirkungen zwischen ruhenden geladenen Körpern, Influenz, Polarisation, Feldlinienbilder Beschreibung des elektrischen Feldes mit den Begriffen Kraft, Probeladung und Energie Q = ε0 ⋅ E A Kapazität als Ladungsspeicherfähigkeit, Kapazität des Plattenkondensators, elektrische Feldkonstante, Einfluss von Materie im elektrischen Feld, Dielektrizitätszahl Elektrisches Feld als Träger der Energie In elektrischen Feldern und elektrischen Schaltungen – Coulomb'sches Gesetz Magnetisches Feld – Kraft des Magnetfeldes auf den stromdurchflossenen Leiter – magnetische Flussdichte – Lorentzkraft 4 Dauermagnet, Kraftwirkung zwischen Magneten, magnetisierbare Stoffe, Magnetfelder stromdurchflossener Leiter, Feldlinienbilder In Abhängigkeit von der Orientierung zum Feld Magnetfeld im Inneren einer langen Zylinderspule, magnetische Feldkonstante, Einfluss der Materie auf die magnetische Flussdichte Kraft auf den bewegten Ladungsträger als Ursache für die Kraft auf den stromdurchflossenen Leiter Bewegungen von Körpern in homogenen Kraftfeldern 25 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Tragfähigkeit des Modells des Kraftfeldes und erlernen wesentliche Grundlagen der analytisch-synthetischen Vorgehensweise. Bewegungen aus unterschiedlichsten Gebieten von Physik und Technik werden unter einheitlichen Gesichtspunkten behandelt. Bewegung von Körpern im Gravitationsfeld – Wurfbewegungen Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Anknüpfen an die LPE 2 aus Grundlagen der Technik im technischen Berufskolleg I Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc Technische Physik Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern – Beschleunigung von geladenen Teilchen im elektrischen Feld – Ablenkung von bewegten geladenen Teilchen im homogenen elektrischen Feld – Ablenkung von geladenen Teilchen im homogenen magnetischen Feld – Anwendung 5 9 Glühelektrischer Effekt 2 2 1 2 m ⋅ ( v 2 − v1 ) = U ⋅ q Phänomene bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit r v v0 ⊥ E v r Nur v 0 ⊥ B Spezifische Ladung, Teilchenbeschleuniger, Geschwindigkeitsfilter, Massenspektrometer Elektromagnetische Induktion 25 Die Schülerinnen und Schüler erkennen die enge Verbindung elektrischer und magnetischer Felder. Sie verstehen die physikalischen Grundlagen für die Bereitstellung elektrischer Energie. Elektromagnetische Induktion – Induktion durch Bewegung eines Leiters im Magnetfeld – Induktion durch Flächenänderung – Induktion durch Änderung der magnetischen Flussdichte – allgemeines Induktionsgesetz Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung 6 v v Nur v⊥ B Transformator Magnetischer Fluss, Lenz'sche Regel Generator Mechanische Schwingungen 14 Die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass Schwingungen eine charakteristische Gruppe der in Natur und Technik vorkommenden Bewegungsformen sind. Sie können Schwingungen beschreiben, systematisieren und modellieren. Sie kennen das Modell der harmonischen Schwingung und können es anwenden. Grundbegriffe zur Beschreibung mechanischer Schwingungen Periodische Bewegung, Schwingungsdauer, Frequenz, Elongation, Amplitude, Rückstellkraft, Energieumwandlung Schwingung als Bewegung einer Masse um eine stabile Gleichgewichtslage Modell des harmonischen Oszillators Federpendel, Fadenpendel bei kleinen Aus– lenkungen s(t ) = ŝ ⋅ sin(ω ⋅ t ) Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc 10 Technische Physik Differentialgleichung und Bewegungsgesetze der harmonischen Schwingung Beschränkung auf Gedämpfte Schwingung Nur qualitativ Erzwungene Schwingung und Resonanz Nur qualitativ 7 Wahlthemen s(t) = ŝ ⋅ cos(ω ⋅ t) oder 40 Die Schülerinnen und Schüler erweitern durch die Wahlthemen ihren physikalischen Horizont. Durch eigenverantwortliches Lernen in kleinen Gruppen verbessern sie Teamfähigkeit und Methodenkompetenz. Mögliche Wahlthemen sind: – Rotationsbewegungen starrer Körper – Statik ausgedehnter Körper – Wechselstromlehre – Thermodynamik – Physik der Atmosphäre – Strömungsphysik – Optik – Atom- und Kernphysik – Festkörperphysik – Relativitätstheorie – Quantenphysik – Astronomie – historische und philosophische Aspekte der Physik – mathematische Methoden in der Physik Technisches Berufskolleg II LS-FB 4 23.10.09/gi Je nach Interesse der Schülerinnen und Schüler und unter Berücksichtigung des speziellen Profils der Schule werden an geeigneter Stelle einzelne Wahlthemen oder Teile davon in den Unterricht aufgenommen. Schulversuch 41-6623.1-16/1 vom 20.05.2009 BK-TBK-II_Technische-Physik_08_3665_01.doc
