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Lehrplaneinheit 1: Mechanische Schwingungen Schwingungen stellen einen in der Natur und in technischen Anwendungen verbreiteten Bewegungstyp dar. Am Beispiel der mechanischen Schwingungen werden neue charakteristische Begriffe eingeführt. Durch Anwendung und Erweiterung der aus der Mechanik bekannten Gesetzmäßigkeiten wird versucht, diese Begriffe quantitativ zu erfassen. Bei der mathematischen Behandlung der harmonischen Schwingungen und bei der physikalischen Interpretation der Ergebnisse sollen die Schülerinnen und Schüler die Bedeutung der Mathematisierung physikalischer Probleme beispielhaft kennen und schätzen lernen. Wiederholung von Grundlagen aus der Mechanik Mechanische Schwingungen, charakteristische Größen [ Gedämpfte Schwingungen ] Harmonische Schwingungen und ihre mathematische Behandlung Fadenpendel Erzwungene Schwingungen, Resonanz Lehrplaneinheit 2: Es empfiehlt sich, bei dieser Wiederholung verstärkt mathematische Aspekte einzubeziehen. Hier sollen auch Energiebetrachtungen durchgeführt werden. Die mathematische Beschreibung sollte sich nicht nur auf spezielle Anfangsbedingungen beschränken. Dabei kann die Zeigerdarstellung sinnvoll eingesetzt werden. M, LK, LPE 3: Trigonometrische Funktionen Es genügt, die Phasenbeziehung experimentell zu verdeutlichen. < 18 > Mechanische Wellen An einfachen Beispielen werden die Grundbegriffe und Gesetze der Wellenausbreitung erarbeitet. Die Schülerinnen und Schüler erfahren, daß Wellen als räumlich und zeitlich periodische Vorgänge beschrieben werden können und daß in fortschreitenden Wellen Energie ohne Materietransport weitergeleitet wird. Bei der Bestimmung von Wellenlängen lernen sie, daß sich hierfür stehende Wellen besonders gut eignen. Die Besprechung der Eigenschwingungen kann Anlaß sein, ein vertieftes Verständnis für ein bereits erlerntes Musikinstrument zu gewinnen. Ausbreitung und Reflexion von Quer- und Längsstörungen auf linearen Wellenträgern Lineare harmonische Querwelle, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Wellenlänge [ Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von äußeren Parametern ] Überlagerungsprinzip für Querwellen, Interferenz, stehende Querwellen Fortschreitende und stehende lineare Längswellen Fortschreitende und stehende Schallwellen, Schallgeschwindigkeit Eigenschwingungen begrenzter Wellenträger, Saiten, Luftsäulen Dopplereffekt bei mechanischen Wellen Ausgewählte Probleme der Wellenlehre können auch mit Hilfe der mathematischen Beschreibung der linearen harmonischen Welle behandelt werden. Die entsprechenden Experimente können auch mit Ultraschall ausgeführt werden. Musikinstrumente Es genügt, sich auf die Fälle des ruhenden Empfängers bzw. des ruhenden Senders zu beschränken. Die Berechnung von Frequenzänderungen soll nur in solchen Beispielen erfolgen, bei denen die in beiden Fällen gültige Näherungsformel für kleine Geschwindigkeiten sinnvoll ist. [ Erzeugung, Eigenschaften und Anwendungen von Ultraschall ] Lehrplaneinheit 3: < 20 > Elektrisches Feld Die Schülerinnen und Schüler erfahren, daß sich zur Beschreibung von Kraftwirkungen zwischen geladenen Körpern die Vorstellung des elektrischen Feldes eignet. Ihnen wird deutlich, wie die zur quantitativen Untersuchung notwendigen charakteristischen Feldgrößen definiert und angewandt werden. Dabei lernen sie das elektrische Feld als Träger von Energie kennen. Die Frage, ob das elektrische Feld eine eigene physikalische Realität besitzt oder ob es nur zur vorteilhaften Beschreibung elektrostatischer Erscheinungen eingeführt wird, kann Anstoß und Motivation zu weitergehenden Überlegungen geben. Wiederholung der Grundlagen der Elektrizitätslehre Elektrisches Feld Elektrische Feldstärke Arbeit in homogenen Feldern Elektrische Spannung [ Potential ] Zusammenhang zwischen felderzeugender Ladung und elektrischer Feldstärke im homogenen Feld, elektrische Feldkonstante Feldstärke im radialen Feld Coulombsches Gesetz Arbeit in radialen Feldern Kondensator, Kapazität Kapazität des Plattenkondensators, Dielektrizitätszahl Polarisation des Dielektrikums mit atomistischer Deutung Schaltung von Kondensatoren Energie des elektrischen Feldes eines geladenen Kondensators Anwendungen von Gesetzen der Elektrizitätslehre (z. B. Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen) können im Praktikum erarbeitet werden. Hier kann auf das Werk von Michael Faraday (1791 1867) eingegangen werden. Es genügt, den Zusammenhang zwischen Spannung und Feldstärke im homogenen Feld zu betrachten. Auf die elektrische Verschiebungsdichte kann verzichtet werden. Ein Vergleich mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz bietet sich an. M, GK, LPE 1: Stammfunktionen M, LK, LPE 2: Stammfunktionen Lehrplaneinheit 4: Magnetisches Feld M, GK, LPE 1: Berechnung von Flächeninhalten, [ Physikalische Arbeit ] M, LK, LPE 4: Berechnung von Flächeninhalten, [ Physikalische Arbeit ] <8> Die beim elektrischen Feld erarbeiteten Begriffe und Verfahren werden analog auf magnetische Erscheinungen übertragen, deren Grundlagen die Schülerinnen und Schüler aus den Klassen 8 und 10 kennen. Durch den Vergleich beider Felder werden ihnen auch die charakteristischen Unterschiede deutlich. Wiederholung magnetischer Grunderscheinungen, magnetisches Feld Definition der magnetischen Flußdichte Auf die gesetzlich festgelegte Definition der SI-Einheit Kraft auf einen beliebig zum Feld gerichteten stromdurchflossenen Leiter Ampere braucht nicht eingegangen zu werden. Homogenes Magnetfeld in einer langgestreckten Spule, magnetische Feldkonstante, Permeabilitätszahl [ Hysterese ] [ Magnetfeld der Erde ] Lehrplaneinheit 5: Die Größe "magnetische Feldstärke" soll nicht eingeführt werden. Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern < 16 > Mit Hilfe der Gesetze der klassischen Mechanik werden Bewegungen geladener Teilchen in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern quantitativ beschrieben. Im Experiment erleben die Schülerinnen und Schüler, wie die erstaunlich kleinen Werte der Ladung und der Masse des Elektrons bestimmt werden können. Aufgrund der Anwendungsmöglichkeiten wird ihnen bewußt, welche grundlegende Bedeutung die besprochenen Verfahren für Forschung und Technik besitzen. Bewegungen geladener Teilchen in elektrischen Feldern: Grundgedanken des Millikanversuchs Prinzip der Erzeugung eines Elektronenstrahls, Elektronvolt Braunsche Röhre Elektrizitätsleitung in Metallen, Flüssigkeiten und Gasen Lorentzkraft, Betrag und Richtung Bewegungen geladener Teilchen in magnetischen Feldern: Spezifische Ladung und Masse des Elektrons Halleffekt Bewegungen geladener Teilchen in kombinierten elektrischen und magnetischen Feldern: Prinzip des Zyklotrons Anwendungen Lehrplaneinheit 6: Robert A. Millikan (1868 - 1953, Nobelpreis 1923) Eine Formulierung mit Hilfe des Vektorprodukts wird nicht erwartet. Die Geschwindigkeitsabhängigkeit der Masse sollte hier mitgeteilt werden. Elektromagnetische Induktion Massenspektrometer Beschleuniger Strahlungsgürtel der Erde < 28 > Die zunächst getrennt erscheinenden elektrischen und magnetischen Felder erfahren in den Induktionsvorgängen eine Verknüpfung. In diesem Rahmen lernen die Schülerinnen und Schüler auch das magnetische Feld als Träger von Energie kennen. Im Zusammenhang mit der Erzeugung von Wechselspannung erfahren sie, wie die technische Nutzung einer physikalischen Entdeckung die Lebensbedingungen des Menschen und damit die soziale Struktur entscheidend verändern kann. Die Verflechtung von Energieversorgung und Wirtschaftsstruktur sowie die nicht selten unterschiedlichen Interessen von Wirtschaft und Umweltschutz können die Schülerinnen und Schüler für die Probleme einer Industriegesellschaft sensibilisieren. Induktion bei Bewegung eines Leiters im Magnet- feld Induktion bei zeitlicher Änderung der Flußdichte Auf elektrische Wirbelfelder kann schon hier hingewiesen werden. Induktionsgesetz Lenzsches Gesetz und Energieerhaltungssatz Selbstinduktion, Eigeninduktivität, Eigeninduktivität einer langgestreckten Spule Energie des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen, Effektivwerte Zusammenhang zwischen Scheitel- und Effektivwert bei Sinus- und Rechteckspannungen Stromstärke, Phasenverschiebung und Leistung beim ohmschen, kapazitiven und induktiven Widerstand sowie bei deren Reihenschaltung, Scheinwiderstand Die Gleichungen für den zeitlichen Verlauf der Stromstärke beim Ein- und Ausschalten des Spulenstroms brauchen nicht behandelt zu werden. Transformator Drehstrom, Energiewirtschaft, europäisches Verbundsystem Besichtigungen von Energieversorgungseinrichtungen werden empfohlen. Lehrplaneinheit 7: M, LK, LPE 4: Mittelung mit Hilfe des Integrals Eine Veranschaulichung im Zeigerdiagramm ist sinnvoll. Der Unterricht sollte durch Praktikumsversuche ergänzt werden. [ M, LK, LPE 4: Überlagerung von Sinusschwingungen ] Elektromagnetische Schwingungen und Wellen < 18 > Die analoge mathematische Struktur bei der Beschreibung mechanischer und elektromagnetischer Schwingungen kann den Schülerinnen und Schülern ein tieferes Verständnis vermitteln und sie erneut die Bedeutung der Mathematisierung physikalischer Probleme einsehen lassen. Bei der Behandlung elektromagnetischer Wellen erfahren die Schülerinnen und Schüler, daß diese sich ohne materiellen Träger ausbreiten. Sie erkennen die elektromagnetische Welle als sich in Zeit und Raum periodisch ändernde, miteinander verknüpfte elektrische und magnetische Felder, denen aufgrund ihrer endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit nun eine physikalische Realität zuzuordnen ist. Die Schülerinnen und Schüler werden angeregt, über die Möglichkeiten der Informationsübertragung mit Hilfe elektromagnetischer Wellen und die sich daraus ergebenden vielschichtigen Auswirkungen auf den Menschen nachzudenken. Elektromagnetischer Schwingkreis: Differentialgleichung, Periodendauer, Gesetze für den zeitlichen Verlauf von Stromstärke und Spannung [ Gedämpfte elektromagnetische Schwingungen ] Erzwungene Schwingungen, Resonanz Ungedämpfte Schwingungen durch Rückkopplung Hier sollen auch Energiebetrachtungen durchgeführt werden. Es genügt, die Phasenbeziehungen experimentell zu verdeutlichen. In diesem Zusammenhang kann auch auf die Entdämpfung mechanischer Schwingungen eingegangen werden. Über die folgenden Inhalte dieser Lehrplaneinheit sollen die Schülerinnen und Schüler lediglich einen Überblick erhalten. Hochfrequente elektromagnetische Schwingungen Hertzscher Dipol, elektromagnetische Wellen Es genügt, die grundlegenden Erscheinungen im Fernfeld Verknüpfung elektrischer und magnetischer Wechselfelder des Dipols zu beschreiben. Ausbreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Am Beispiel der Arbeiten von James C. Maxwell (1831 den Feldkonstanten 1879) und Heinrich Hertz (1857 - 1894) kann verdeutlicht werden, wie theoretische und experimentelle Forschung in der Physik ineinandergreifen. [ Lechersystem ] [ Radiowellen, Amplituden- und Frequenzmodulation ] Lehrplaneinheit 8: < 27 > Interferenz und Beugung Bei der Interferenz und Beugung verschiedenartiger Wellen erkennen die Schülerinnen und Schüler eine gemeinsame Struktur. Dabei erfahren sie, welche entscheidende Rolle die Kohärenz bei der Überlagerung von Wellen spielt. Aus der Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit ergeben sich erste Hinweise auf den elektromagnetischen Charakter der Lichtwellen, die durch Untersuchungen mit polarisiertem Licht weiter untermauert werden können. Der Überblick über das elektromagnetische Spektrum gibt den Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, die Optik in einen größeren Zusammenhang einzuordnen. Reflexion und Brechung von mechanischen Wellen und Mikrowellen Erklärung nach Huygens Beugung und Interferenz von mechanischen Wellen und Mikrowellen Lichtgeschwindigkeit, Brechungsgesetz, Dispersion des Lichts Beugung und Interferenz von Lichtwellen: Doppelspalt Kohärenz [ Interferenz an dünnen Schichten, Interferometer ] Einzelspalt Geometrische Optik als Grenzfall der Wellenoptik Gitter Wellenlängenmessung [ Auflösungsvermögen optischer Instrumente ] Polarisation, Licht als Querwelle Das elektromagnetische Spektrum: Ultraviolett- und Infrarotstrahlung Auch bei der Reflexion elektromagnetischer Wellen sollten die Phasenbeziehungen angesprochen werden. Christian Huygens (1629 - 1695) Bei der Beschreibung von Interferenzerscheinungen kann die Zeigerdarstellung verwendet werden. Die Lichtgeschwindigkeit sollte experimentell bestimmt werden. Die Leistung Olaf Römers (1644 - 1710), der als erster die Lichtgeschwindigkeit bestimmte, kann hier gewürdigt werden. Bei der Erklärung von Beugungsversuchen genügt die Idealisierung nach Fraunhofer. Die Auswirkung der endlichen Spaltbreite auf das Beugungsbild ist zu berücksichtigen; sie wird bei der Behandlung des Einzelspaltes besprochen. Die Bedeutung der Kohärenz bei Interferenzversuchen sollte hervorgehoben werden, wobei jedoch nicht an umfangreiche Rechnungen gedacht ist. Röntgenstrahlung Braggreflexion Wellenlängenbestimmung [ Dopplereffekt bei elektromagnetischen Wellen ] Lehrplaneinheit 9: Wilhelm C. Röntgen (1845 - 1923, Nobelpreis 1901) William H. Bragg (1862 - 1942), Nobelpreis 1915 gemeinsam mit William L. Bragg (1890 - 1971) Die Gitterkonstante der benutzten Kristalle kann mit Hilfe der Avogadrokonstanten berechnet werden. Grundgedanken der Quantenphysik < 13 > Durchführung und Diskussion grundlegender Experimente führen die Schülerinnen und Schüler zu der Erkenntnis, daß die Mikroobjekte Photon und Elektron weder durch das Teilchen- noch durch das Wellenbild der klassischen Physik vollständig und widerspruchsfrei beschrieben werden können. Die Forderung nach einer widerspruchsfreien Beschreibung experimenteller Ergebnisse weckt die Bereitschaft, neuartige Gedanken und Modelle auch dann zu akzeptieren, wenn sie sich der unmittelbaren Anschauung entziehen. Photoeffekt, Photozelle Plancksches Wirkungsquantum, Photonen (Lichtquanten) Comptoneffekt Grenzenergie der Röntgenbremsstrahlung de Broglie-Beziehung, Elektronenbeugung, Debye-Scherrer- Verfahren Verhalten von Photonen und Elektronen im Doppelspaltversuch Unbestimmtheitsrelation Lehrplaneinheit 10: Die in diesem Kapitel benötigten relativistischen Beziehungen werden mitgeteilt. Arthur H. Compton (1892 - 1962, Nobelpreis 1927) Die bahnbrechenden Arbeiten von Max Planck (1858 1947, Nobelpreis 1918), Albert Einstein (1879 - 1955, Nobelpreis 1921), Louis de Broglie (1892 - 1987, Nobelpreis 1929) und Werner Heisenberg (1901 - 1976, Nobelpreis 1932) können Anlaß sein, auf die atemberaubende Entwicklung der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts einzugehen. Einführung in die Atomphysik < 18 > Aus verschiedenen Experimenten läßt sich die Vorstellung entwickeln, daß im Atom gebundene Elektronen nur in diskreten Energiezuständen auftreten. Dieses klassisch nicht erklärbare Ergebnis rechtfertigt die Behandlung des eindimensionalen Potentialtopfs, wodurch die Schülerinnen und Schüler an einem einfachen Beispiel erste Einblicke in quantenmechanische Beschreibungsmethoden gewinnen. So erfahren sie einmal mehr, wie die Entwicklung der Physik durch ein ständiges Ineinandergreifen von Theorie und Experiment geprägt ist. Überblick über klassische Atommodelle Wasserstoffspektrum, Energieterme [ Bohrsches Atommodell ] Eindimensionaler Potentialtopf, Nullpunktsenergie räumlich begrenzter Teilchen Anregung von Atomen, Franck-Hertz-Versuch Optische Spektren, Umkehrung der Na-Linie [ Laser ] [ Fraunhoferlinien ] [ Niels Bohr (1885 - 1962, Nobelpreis 1922) ] Als Anwendungsbeispiel können Absorptionsfrequenzen geeigneter Farbstoffmoleküle betrachtet werden. James Franck (1882 - 1964), Nobelpreis 1925 gemeinsam mit Gustav Hertz (1887 - 1975) Charakteristisches Röntgenspektrum, Moseleysches Gesetz [ Absorption von Röntgenstrahlen ] [ Anwendungen von Röntgenstrahlen in Medizin und Technik ] Lehrplaneinheit 11: < 42 > Praktikum Im Praktikum erweitern und festigen die Schülerinnen und Schüler bei der Bearbeitung und Lösung physikalischer Aufgabenstellungen unmittelbar und intensiv ihr Wissen und ihre Erkenntnisse. Sie lernen im eigenen Tun beim Experimentieren, Beobachten, Messen und Darstellen von Ergebnissen die wichtigsten Arbeitsmethoden der Physik vertieft kennen. Sie erwerben Einsichten und Fertigkeiten und werden angeleitet, wertvolle Übungsgeräte und Materialien verantwortungsbewußt zu handhaben. Die gemeinsame Arbeit bei der Planung, Durchführung und Auswertung der Experimente fördert die Bereitschaft, erfolgreich in der Gruppe zusammenzuarbeiten. Das Praktikum soll gleichmäßig auf die Zeit bis zur schriftlichen Abiturprüfung verteilt werden. Geschwindigkeit mechanischer Wellen auf verschiedenen Trägern Auf- und Entladevorgänge bei Kondensatoren Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern Halleffekt, Messungen mit Hallsonden Wechselstromwiderstände Wellenlängenmessung beim Licht Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums Versuche mit Halbleitern Weitere Versuche zu den Lehrplaneinheiten 1 bis 10 des Leistungskurses Lehrplaneinheit 12: Wahlthemen Nach der schriftlichen Abiturprüfung ist minde- stens eines der folgenden Wahlthemen zu behandeln. Weiterführung des Praktikums Festkörperphysik, Halbleiter Weiterführung der Atom- und Quantenphysik Physik der Atmosphäre Weiterführung der Kernphysik Relativitätstheorie Astrophysik Historische und philosophische Aspekte der Physik Lektüre von Arbeiten bedeutender Forscherpersönlichkeiten Elementarteilchenphysik Hier ist der Einsatz des Computers sinnvoll. Nobelpreisträger und ihre Leistungen
