Berufsoberschule Ausbildungsrichtung Technik PHYSIK Fachprofil

Berufsoberschule
Ausbildungsrichtung Technik
PHYSIK
Fachprofil:
Die Naturwissenschaften bestimmen heute das Denken des Menschen, seine Einstellung zu Natur und Umwelt sowie sein Handeln in hohem
Maß. Dem Physikunterricht kommt zusammen mit dem Unterricht in Chemie und Technologie/Informatik die Aufgabe zu Interesse an naturwissenschaftlichen Fragestellungen zu wecken und die Schülerinnen und Schüler zu befähigen, durch vertiefte Kenntnisse die Zusammenhänge
in Natur und Technik besser zu verstehen.
Im Physikunterricht sollen folgende übergeordnete Ziele angestrebt werden:
- Verständnis für die exakte Festlegung physikalischer Größen;
- Einsicht in die zentrale Bedeutung des Experimentes in der Physik;
- Fähigkeit, Experimente zu beschreiben, durchzuführen, auszuwerten und die Genauigkeit von Messergebnissen zu beurteilen;
- Gewandtheit im Gebrauch der Fachsprache sowie im Umgang mit Formeln und Größengleichungen;
- Einsicht, dass Gesetze und Modelle nur innerhalb bestimmter Grenzen ihre Gültigkeit haben;
- Bewusstsein, dass physikalische Erkenntnisse in der Technik Anwendung finden;
- Offenheit fiir Probleme des Umweltschutzes und Bereitschaft durch sparsamen Umgang mit Rohstoffen zur Verbesserung der Umweltbedingungen beizutragen;
- Einsicht in die Notwendigkeit von Maßnahmen zur Unfallverhütung.
Ausgehend von den Lerninhalten der Haupt- und Berufsschule und den bisherigen Berufserfahrungen der Schüler sollen physikalische Begriffe
und Strukturen erarbeitet und physikalische Methoden entwickelt werden. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der physikalisch sachgerechten
Darstellung und ihrer exakten fachsprachlichen Formulierung.
In der Jahrgangsstufe 12 werden Inhalte der schon in der Vorbildung der Schüler behandelten Themenbereiche wieder aufgegriffen, vertieft und
unter verstärkter Einbeziehung der Mathematik weitergeführt. Ein Ziel dieser Stufe ist es grundlegende Begriffe der Mechanik wie Kraft,
Impuls und Energie, zu vertiefen. Der Schwerpunkt dieser Jahrgangsstufe liegt in der Betrachtung von elektrischem Feld und Magnetfeld. Auf
die Analogie zwischen elektrischem Feld und Magnetfeld kann hingewiesen werden. Das Denken der Schülerinnen und Schüler in Analogien
soll dadurch gefördert werden.
In Jahrgangsstufe 13 sollen die Schülerinnen und Schüler erkennen, dass im Experiment beobachtbare Phänomene teilweise nur mit Hilfe
unterschiedlicher abstrakter Modelle zu verstehen sind. Die im Mathematikunterricht erworbenen Kenntnisse ermöglichen es, dynamische
Prozesse durch Differenzialgleichungen zu beschreiben. Die Kenntnis von Grundlagen der Wellen- und Quantentheorie und der Relativitäts-
theorie soll den Schülerinnen und Schülern den Zugang zu technischen oder naturwissenschaftlichen Studiengängen erleichtern.
Der zunehmenden Bedeutung des Computers in Forschung und Technik als Hilfsmittel bei Simulation und Messwerterfassung bzw. -Verarbeitung soll im Unterricht Rechnung getragen werden. Die enge Verzahnung der Physik mit Mathematik, Technologie/Informatik und
Chemie, die auch den Schülerinnen und Schülern verdeutlicht werden soll, erfordert eine intensive Zusammenarbeit der Lehrkräfte.
Jahrgangsstufe 12
Lerngebiete:
12.1
12.2
12.3
12.4
12.5
12.6
12.7
12.8
Geradlinige Bewegung
Kraft und Masse
Kreisbewegung
Arbeit, Energie, Leistung, Impuls
Mechanische Schwingung
Gravitation
Elektrisches Feld
Magnetisches Feld und Induktion
Summe
30 Std.
12 Std.
13 Std.
28 Std.
19 Std.
10 Std.
44 Std.
42 Std.
198 Std.
LERNZIELE
12.1
Geradlinige Bewegung
LERNINHALTE
HINWEISE ZUM UNTERRICHT
30 Std.
12.1.1
Bewegung mit konstanter
Geschwindigkeit
Die Schülerinnen und Schüler können Bewegungsabläufe in Abhängigkeit vom Bezugssystem beschreiben und verschiedenen
Grundbewegungsarten zuordnen.
Aus der Beobachtung einer geradlinigen Bewegung mit konstanter
Geschwindigkeit sind sie in der
Lage mit Hilfe von Bezugssystemen die Ortsveränderungen zu beschreiben und mit geeigneten Diagrammen graphisch darzustellen.
Sie können Problemstellungen aus
der geradlinigen Bewegung mit
konstanter Geschwindigkeit rechnerisch und zeichnerisch lösen. Sie
erfahren, dass Bewegungen sich
unabhängig voneinander
überlagern können, und sind in der
Lage dieses Prinzip anzuwenden.
Grundbewegungsarten:
- Translation
- Rotation
Einfache Bewegungen aus dem beruflichen Erfahrungsbereich
der Schüler aufgreifen
Bewegung als Ortsveränderung in einem Bezugssystem
Beschreibung der Bewegung mit Hilfe von
Ortsvektoren und Koordinaten
Abhängigkeit der Beschreibung von der Wahl
des Bezugssystems
Verdeutlichen, dass die Begriffe "Ruhe" und "Bewegung" relativ
sind
Geschwindigkeit als abgeleitete Größe:
V
=
AX
At
Geschwindigkeit als Vektor; Unterscheidung
zwischen Betrag und Koordinate
Koordinatengleichung:
x = xn + v t
Darstellungen von Bewegungen im
- x(t)-Diagramm
- v(t)-Diagramm
Interpretation von
Auswerten von Fahrbahnmessdaten
- Geradensteigung im x(t)-Diagramm
- Fläche im v(t)-Diagramm
Vektorielle Addition von Geschwindigkeiten:
- Berechnung nur im rechtwinkligen Dreieck
- graphische Lösung auch bei beliebigen
Winkeln zwischen den Vektoren
Z.B. Bewegung eines Flugzeugs bei Seitenwind
12.1.2
B ewegung mit konstanter
Beschleunigung
Die Schülerinnen und Schüler verstehen die physikalische Definition
der Beschleunigung und können
die Gesetzmäßigkeiten der geradlinigen Bewegung mit konstanter
Beschleunigung aus Messwerten
durch graphische und rechnerische
Methoden entwickeln. Durch die
Diskussion der Auswertungen erschließt sich ihnen der Einfluss
von Anfangsbedingungen einer
geradlinigen, konstant beschleunigten Bewegung. Sie entwickeln
die allgemeinen Bewegungsgleichungen und wenden diese auch
im Hinblick auf die Überlagerung
beschleunigter Bewegungen an.
Beschleunigung als abgeleitete Größe:
a =
At
Beschleunigung als Vektor
Mittlere Geschwindigkeit
Momentangeschwindigkeit
Darstellung der Bewegung mit
- x(t)-Diagramm
- v(t)-Diagramm
- a(t)-Diagramm
Koordinatengleichungen:
v = v0 + a-t
x = xfto + v no-t + —-a-t
2
v 2 - v 0 2 = 2-a-AX
Freier Fall, Messung der Fallbeschleunigung
Beschreibung, Berechnung und graphische
Darstellung ausgewählter, reibungsfreier Bewegungen:
- Überhol- und BegegnungsVorgänge
- senkrechter Wurf
- waagrechter Wurf
12.2
Kraft und Masse
Auswertung von Messversuchen
AV
Vergleich mit Sekantensteigung und Tangentensteigung im Mathematikunterricht
Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich durch Auswerten
geeigneter Versuchswerte den Zusammenhang zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung. Sie sind in
der Lage diesen Zusammenhang
unter Zuhilfenahme von Kräfteplänen anzuwenden.
Erstes Newton'sches Gesetz (Trägheitsprinzip)
Zweites Newton'sches Gesetz (F = nva)
Messversuche und Auswertung an einer horizontalen Fahrbahn
Die konstante Beschleunigung kann durch eine umgelenkte Gewichtskraft bewirkt werden.
Drittes Newton'sches Gesetz (Wechselwirkungsprinzip)
Kräftepläne
Bewegungen mit und ohne Reibung:
- Antriebs- und Bremsvorgänge
- geneigte Ebene
Herausstellen, dass die Summe aller auf einen Massenpunkt wirkenden Kräfte die resultierende Kraft ist, die den Körper beschleunigt.
Anwendungsbeispiele aus dem Straßenverkehr heranziehen
12.3
Kreisbewegung
Anknüpfend an die Grundbegriffe
der geradlinigen Bewegung werden die Schülerinnen und Schüler
mit den charakteristischen Größen
einer Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit vertraut. Sie erkennen, dass die Kreisbewegung eine beschleunigte Bewegung ist, die eine Kraft erfordert. Anhand verschiedener Beispiele werden die Schülerinnen
und Schüler befähigt Kreisbewegungen aus der Natur und der
Technik quantitativ zu erfassen.
Umlaufdauer
Drehfrequenz
Winkelgeschwindigkeit
Bahngeschwindigkeit
Zentralbeschleunigung
2
CO T
=
V'
—
Verdeutlichen, dass stets gilt: a _L V
Formel deduktiv herleiten
Zentralkraft
Experimentelle Untersuchung der Zentralkraft
Zentrifugalkraft im rotierenden Bezugssystem
Herausstellen, dass ein Körper, der im ruhenden Bezugssystem
eine Kreisbewegung beschreibt, im entsprechenden rotierenden
Bezugssystem ruht
Beispiele für Anwendungsaufgaben: Erdrotation, Zentrifuge,
Kettenkarussell, Fahrzeuge auf Kreisbahnen, Kurvenüberhöhung
Auf das Erstellen von Kräfteplänen unter Beachtung des Bezugssystems sollte besonderer Wert gelegt werden.
12.4
Arbeit, Energie, Leistung,
Impuls
12.4.1
Ausgehend vom Arbeitsbegriff der Mittelstufe
erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass die
an einem Körper verrichtete Arbeit gleich seiner
Energieänderung ist. Anhand von Beispielen sollen die Schülerinnen und
Schüler die Tragfähigkeit
des Energieerhaltungssatzes als wirksames Instrument zur Lösung physikalischer Aufgaben erkennen und zur selbständigen Anwendung fähig
werden.
Arbeit bei konstanter Kraft als Skalarprodukt
von Kraft und Weg
Interpretation der Fläche im F(x)-Diagramm
als Arbeit auch bei nicht konstanter Kraft
Arten von Arbeit:
- Hubarbeit
- Beschleunigungsarbeit
- Reibungsarbeit
- Spannarbeit
Vorbereitung des Integralbegriffs
Formulierung der Arbeit als bestimmtes Integral dann, wenn das
Integral im Mathematikunterricht eingeführt worden ist
Am Sonderfall der geneigten Ebene kann die Unabhängigkeit der
Hubarbeit vom Weg gezeigt werden.
Herleitung mit Hilfe des F(x)-Diagramms
Energie als Arbeitsvermögen eines Körpers:
- potentielle Energie:
Lageenergie
Spannenergie
- kinetische Energie
- Wärmeenergie
Gesetz über die Energieerhaltung in einem
abgeschlossenen System
Heranziehen von Beispielen: freier Fall, Fadenpendel, Federpendel, Schleifenbahn, Pumpspeicherwerk
Sonderfall: Erhaltung der mechanischen Energie in einem reibungsfreien, abgeschlossenen System
Erweiterung des Arbeitsbegriffs:
W = AE
Mittlere Leistung: P
°
m
Unabhängigkeit der Hubarbeit vom Weg herausstellen
Klarstellen, dass an einem Körper negative Arbeit verrichtet
wird, wenn dessen Gesamtenergie abnimmt
AE
At
Beispiele: Auto, Kraftwerk, Mensch
Leistung:
P = E
P =F • v
Wirkungsgrad
12.4.2
12.5
D ie S chülerinnen und
Schüler verstehen, dass
das Impulserhaltungsgesetz eine Erweiterung der
Newton'schen Gesetze ist.
Sie lernen an ausgewählten Beispielen die Gesetze
zur Erhaltung der Energie
und des Impulses zur Lösung einfacher Aufgaben
zur Mechanik anzuwenden.
Mechanische Schwingungen
Impuls als vektorielle Größe
F=P
Gesetz der Impulserhaltung
Vollelastischer zentraler Stoß
Unelastischer zentraler Stoß
Herausstellen, daß dies eine Verallgemeinerung des
zweiten Newton'schen Gesetzes ist.
Hinführung mit Hilfe des dritten Newton'schen Gesetzes
Anwendungsbeispiele: Raketenantrieb, ballistisches Pendel
12.5.1
Anhand von Demonstrationsexperimenten erhalten die Schülerinnen und
Schüler einen Einblick in
die Bedeutung periodisch
ablaufender Bewegungsvorgänge in Natur und
Technik und werden mit
den wichtigsten Größen
einer Schwingung vertraut. In der experimentellen und theoretischen
Auseinandersetzung mit
ausgewählten schwingungsfähigen Systemen
lernen die Schülerinnen
und Schüler die Gesetzmäßigkeiten von harmonischen Schwingungen
kennen.
Schwingung als periodischer Vorgang
Periodendauer, Frequenz,
Elongation, Amplitude
Dämpfung
Vorführung verschiedener schwingungsfähiger Systeme
Harmonische Schwingung
Sinusförmiger Verlauf der Koordinaten von
Elongation, Geschwindigkeit, Beschleunigung
und Rückstellkraft
Kreisfrequenz
Bewegungsgleichungen bei verschiedenen
Anfangsbedingungen
Linien- und Zeigerdiagramm
Parallelprojektion einer Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit experimentell mit einer harmonischen Schwingung vergleichen
Lineares Kraftgesetz, Richtgröße,
Differenzialgleichung der harmonischen
Schwingung
Zusammenhang zwischen Periodendauer,
Richtgröße und Masse
An diesem Beispiel soll den Schülern der Begriff "Differenzialgleichung" erläutert werden.
Der Zusammenhang wird mit Hilfe der Differenzialgleichung
hergeleitet.
Untersuchung verschiedener schwingungsfähiger Systeme auf Gültigkeit des linearen
Kraftgesetzes
Beispiele für schwingungsfähige Systeme: Federpendel, schwingende Flüssigkeitssäule im U-Rohr,
Fadenpendel
12.5.2
12.5.3
Aufbauend auf dem schon
bekannten Energiebegriff
lernen die Schülerinnen
und Schüler eine Schwingung als einen Vorgang
periodischer Energieumwandlung kennen. Sie
können die Energien bei
einer harmonischen
Schwingung berechnen.
Periodische Umwandlung potentieller und
kinetischer Energie
Am Experiment erkennen
die Schülerinnen und
Schüler das unterschiedliche Verhalten schwingungsfähiger Systeme bei
einmaliger und bei periodischer Anregung. Sie
beobachten das Phänomen
der Resonanz und können
die Vorgänge qualitativ
beschreiben.
Freie Schwingung
Eigenfrequenz
Freihandversuche mit Federpendel
Elastische Kopplung
Erzwungene Schwingung
Abhängigkeit der Resonatoramplitude und der
Phasenverschiebung von der Erregerfrequenz
Resonanz
Nur qualitativ betrachten
Computersimulation
Rechnerischer Nachweis der Zeitunabhängigkeit der Gesamtenergie
Beispiele für erwünschte und unerwünschte Resonanz,
Res onanzkatastrophe
12.6
Gravitation
12.6.1
Ausgehend von einem
historischen Ansatz machen sich die Schülerinnen und Schüler mit den
keplerschen Gesetzen
vertraut. Ihnen wird bewusst, dass es sich hier
um empirische Gesetze
handelt. Sie können damit die Bewegungen der
Planeten und der Raumkörper beschreiben und
einfache Anwendungsaufgaben lösen.
12.6.2
Die Schülerinnen und
Schüler erfahren, dass
zwischen Massen Wechselwirkungskräfte auftreten, die man Gravitationskräfte nennt. Sie erkennen, dass die Gewichtskraft eine Gravitationskraft ist. Sie erlangen die Fähigkeit das
Gravitationsgesetz anzuwenden, und können
einfache Bewegungen
unter der Wirkung der
Gravitationskraft berechnen.
Erstes Keplergesetz
Zweites Keplergesetz
Drittes Keplergesetz
Gravitationsgesetz F Gr
Veranschaulichung der Gesetze durch Computersimulation
=
^.mfm2
- natürliche und künstliche Satelliten
- Synchronsatellit
- gravitationsfreier Punkt zwischen zwei
Massen
Massen- und Bahnberechnungen mit Hilfe des Gravitationsgesetzes
12.7
Elektrisches Feld
Ladungstrennung, Einheit der Ladung
12.7.1
Die Schülerinnen und
Schüler kennen die Kraftwirkung zwischen elektrisch geladenen Körpern.
Anziehende und abstoßende Kraft zwischen
geladenen Körpern
Technische Anwendung: Luftreinigung, Kopierer
Radialsymmetrisches elektrisches Feld
Veranschaulichung elektrischer Felder durch
Feldlinien
Coulombgesetz: F el
IQ1Q2
4-71-s,
Definition der elektrischen Feldstärke:
F.el
E =
Betrag der elektrischen Feldstärke im Coulombfeld: E =
1
4-7f8,
Grießkörnerversuch, Computereinsatz
. IQI
q ist eine positive Probeladung
Die Richtung von E ist gleich der Richtung der elektrischen
Kraft auf eine positive Probeladung.
12.7.2
Die S chülerinnen und
Schüler verstehen die
elektrische Spannung als
Potentialdifferenz.
Verschiebungsarbeit im Coulombfeld
Definition des Potentials
Das Bezugsniveau kann entsprechend der Aufgabenstellung beliebig gewählt werden.
Spannung als Potentialdifferenz
Potential im Coulombfeld
12.7.3
Die Schülerinnen und
Schüler erkennen, dass
der Kondensator einerseits zur Erzeugung eines
homogenen elektrischen
Feldes, andererseits zur
Ladungs- und
Energiespeicherung dient.
Messung, z.B. mit der Flammensonde
Homogenes elektrisches Feld eines Plattenkondensators
Feldstärke, Verschiebungsarbeit, Potential
und Spannung im homogenen elektrischen
Feld
Influenz
Versuch mit den Influenzplatten
Flächenladungsdichte
Zusammenhang zwischen Flächenladungsdichte und Feldstärke
Definition der Kapazität
Kapazität des Plattenkondensators
Dielektrikum, Dielektrizitätszahl eR
Reihen- und Parallelschaltung zweier Kondensatoren
Energieinhalt eines Kondensators
Auf technische Kondensatoren hinweisen
12.7.4
Die S chülerinnen und
Schüler verstehen das
Millikan-Experiment und
seine Bedeutung.
Millikan-Experiment
Elementarladung
12.7.5
Die Schülerinnen und
Schüler können die Bewegung von geladenen
Teilchen im elektrischen
Feld berechnen.
Glühemission
Bewegung von geladenen Teilchen im homogenen dektris chen Feld, wobei v 0 x E oder
Beschränkung nur auf den Schwebefall
Die Analogie zum senkrechten und waagrechten Wurf aufzeigen
Betonen, dass im elektrischen Feld die Gewichtskraft auf ein
Elektron grundsätzlich vernachlässigbar ist
Prinzip des Oszilloskops
12.8
Magnetisches Feld und
Induktion
12.8.1
Ausgehend von der Kraftwirkung eines Permanentmagneten lernen die
Schülerinnen und Schüler
das Magnetfeld als weiteres Kraftfeld kennen. Sie
können es mit Hilfe von
Feldlinien beschreiben.
Magnetfeld von Permanentmagneten
Magnetfeld stromdurchflossener Leiter
Feldlinien
Die Richtung des Feldes ist gleich der Richtung der Kraft auf den
Nordpol eines Probemagneten
12.8.2
Aufbauend auf der
Erkenntnis, dass ein Magnetfeld auf einen stromdurchflossenen Leiter eine
Kraft ausübt, verstehen
die Schülerinnen und
Schüler die Definition der
Flussdichte als
feldbeschreibende Größe.
12.8.3 Die Schülerinnen und
Schüler erkennen, dass
die Kraft auf einen
stromdurchflossenen
Leiter durch die
Lorentzkraft erklärt
werden kann. Sie können mit Hilfe der Lorentzkraft die Bahn geladener Teilchen
beschreiben und rechnerisch erfassen.
Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen
Leiter
Definition des Betrags der Flussdichte:
F
B =
I-
Demonstrationsversuche mit der Leiterschaukel, Drehspule
und Paralleldrahtleitung
Hinweis aufdie Definition der Einheit Ampere
Im Messversuch mit der Stromwaage F ~ I und F ~ I zeigen
F = I-(«xB)
Anwendung des aus der Mathematik bekannten Vektorprodukts
Hinweis aufdie "Dreifingerregel"
Anwendungen in der Technik: Elektromotor, Drehspulmesswerk
Lorentzkraft
Berechnungen nur für den Fall
v senkrecht zu B
F m = Q-(vxg)
Halleffekt
Proportionalität der Hallspannung zum
Betrag der Flussdichte
Kreisbahn geladener Teilchen im Magnetfeld
Bestimmung der spezifischen Ladung des
Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr
Überlagerung von magnetischem und
elektrischem Feld: Wienfilter
Auf analoge Zusammenhänge beim Magneto-hydrodynamischen Generator kann verwiesen werden.
Messung der magnetischen Flussdichte mit Hilfe der Hallsonde
12.8.4 Durch das Ausmessen
von Spulenfeldern soll
sich den Schülerinnen
und Schülern die Gesetzmäßigkeit für die
Flussdichte im Inneren
einer langgestreckten,
leeren Spule erschließen.
Magnetische Flussdichte in einer langgestreckten, leeren Spule
Magnetische Feldkonstante u0
Messversuch mit der Hallsonde
12.8.5 D i e S chülerinnen und
Schüler können das Entstehen einer Induktionsspannung in einem bewegten Leiter mit Hilfe
der Lorentzkraft erklären und berechnen. Sie
erfahren, dass die Induktionsspannung allgemein durch das Induktionsgesetz
beschrieben wird, können dieses anwenden
und sind sich der Vielfältigkeit der
technischen Anwendungen bewusst.
Induktionsspannung
Demonstrationsversuche
Induktionsspannung an einem im homogenen Magnetfeld bewegten Leiter
|U,| =B-«-v
Messversuch
Magnetischer Fluss
CD = B-Ä
|Uj| = Nj-|®|
Lenzsche Regel
Induktionsgesetz
Ui= -Nj-cD
Erzeugung von konstanter und sinusförmiger Induktionsspannung
Effektivwert
Messversuch => |TJ.| = N>B'|Ä.|
Messversuch => |TJ.| = N--A.-|B|
Einübung u. a. an Beispielen zur offenen und geschlossenen
Leiterschleife; dabei auch rechnerische Bestätigung der
Energieerhaltung
Generator, Mikrofon können als Beispiele zur technischen
Anwendung besprochen werden.
Auf das Auftreten von Wirbelströmen sollte eingegangen
werden.
12.8.6 D i e S chülerinnen und
Schüler erfahren anhand
von Experimenten, dass
Selbstinduktionsspannungen auftreten, und
kennen den Zusammenhang zwischen Induktivität und Induktionsspannung. Ihnen wird
bewusst, dass im Magnetfeld einer
stromdurchflossenen
Spule magnetische
Energie gespeichert ist.
12.8.7 Die Schülerinnen und
Schüler verstehen den
Zusammenhang von
Strom und angelegter
Wechselspannung bei
einfachen elektrischen
Bauteilen.
Selbstinduktionsspannung
Ein- und Ausschaltvorgänge demonstrieren
Induktivität einer langgestreckten Spule:
N2
L= | i - A - — - mit u = (i0-!UR
U ; = -L-I
Energieinhalt einer stromdurchflossenen
Spule
Daraufhinweisen, dass durch diese Gleichung die Induktivität einer beliebigen Spule festgelegt wird
UL = - Uj soll eingeführt werden
Hinweis auf den Energieinhalt eines Kondensators
E.-J-L.I»
Ohmscher Widerstand, induktiver und kapazitiver Widerstand bei sinusförmiger
Wechselspannung
Phasenverschiebung zwischen Spannung
und Strom
Zeigerdiagramme verwenden
Keine Verknüpfung von elektrischen Bauteilen
PHYSIK, Jahrgangsstufe 13
Lerngebiete:
13.1
13.2
13.3
13.4
13.5
Elektromagnetische Schwingungen
Wellenphänomene
Spezielle Relativitätstheorie
Dualismus Welle-Teilchen
Physik des Aufbaus der Materie
Summe
LERNZIELE
13.1
Elektromagnetische
Schwingungen
LERNINHALTE
33
38
10
30
54
Std.
Std.
Std.
Std.
Std.
165 Std.
HINWEISE ZUM UNTERRICHT
13.1.1 Aufbauend auf ihren
Kenntnissen über ohmsche, induktive und kapazitive Widerstände im
Wechselstromkreis, verstehen die Schülerinnen
und Schüler das Zusammenwirken von Wechselstromwiderständen.
Sie sind in der Lage,
Berechnungen unter
Berücksichtigung der
Gesetzmäßigkeiten für
die Reihen- bzw. Parallelschaltung durchzuführen.
Ohmscher, induktiver und kapazitiver Widerstand an sinusförmiger Wechselspannung
Erweiterung auf reine Reihen- bzw. Parallelschaltung von maximal drei idealen
Schaltelementen
Funktionsgraphen
Zeigerdiagramme
Phasenverschiebungen
Leistung
Die Bedeutung der Wirkleistung ist hervorzuheben.
13.1.2 In der experimentellen
und theoretischen Auseinandersetzung mit
dem elektrischen
Schwingkreis lernen die
Schülerinnen und Schüler die Gesetzmäßigkeiten der mechanischen Schwingungen
sinngemäß aufdie elektromagnetischen
Schwingungen zu übertragen.
Geschlossener elektromagnetischer
Schwingkreis
- Entladung eines Kondensators über eine
Spule
- gedämpfte elektromagnetische Schwingung
- Ursache der Dämpfung
Spannungs- und Stromverlauf experimentell aufnehmen
Vergleich mit dem mechanischen Pendel
Nur qualitativ betrachten
Herleitung der Differentialgleichung der
ungedämpften elektromagnetischen
Schwingung aus UL + Uc = 0
Herleitung der Thomson-Gleichung aus
der Differenzialgleichung der ungedämpften elektromagnetischen Schwingung
Eigenfrequenz
Zeitliche Abhängigkeit von:
- Ladung
- Stromstärke
- Spannung
- Energie
Die Analogie zum mechanischen Oszillator herausstellen
Nachweis der Energieerhaltung im ungedämpften elektromagnetischen Schwingkreis
Nachweis, dass andererseits die Energieerhaltung zur Differenzialgleichung der
ungedämpften elektromagnetischen
Schwingung führt
Hinweis aufdie Analogie zum mechanischen Oszillator
Experimentelle Bestätigung der Thomson-Gleichung
13.1.3 Die Schülerinnen und
Schüler erkennen, dass
das aus der Mechanik
bekannte Phänomen der
Resonanz auch bei elektrischen Systemen beobachtbar ist. Sie können die Vorgänge bei
der erzwungenen
Schwingung qualitativ
beschreiben. Sie lernen
das Rückkopplungsprinzip zur Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen
kennen.
Erzwungene elektromagnetische Schwingung
13.1.4 Die Schülerinnen und
Schüler verstehen, dass
in einem Dipol eine
elektromagnetische
Schwingung möglich
ist. Sie erkennen, dass
von einem solchen Dipol eine elektromagnetische Strahlung ausgesandt wird.
Übergang vom geschlossenen zum offenen
Schwingkreis
Stromstärke und Ladungsverteilung im
Energieübertragung durch Kopplung
Amplitude und Phasenverhalten in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz
Resonanz
Meißner-Rückkoppelschaltung
--Dipol
2
E - und B-Feld in der Fernzone
Empfang elektromagnetischer Strahlung
als Resonanzerscheinung
Analogie zur erzwungenen mechanischen Schwingung betrachten
Resonanzkurve aufnehmen
Nur qualitativ behandeln
Bedeutung der Rückkopplung in Regelkreisen vgl. Technologielehrplan
Aufdie Maxwell'sche Verknüpfung der Felder kann hingewiesen werden.
13.2
Wellenphänomene
Die Schülerinnen und
Schüler lernen die
grundlegenden physikalischen Begriffe und
Phänomene der Wellenlehre kennen. Vergleichende Experimente mit
mechanischen bzw.
elektromagnetischen
Wellen lassen sie die
Wellenphänomene verstehen. Sie beherrschen
Methoden zur Bestimmung der Wellenlänge
und erkennen den Wellencharakter des Lichts.
Entstehung und Ausbreitung der Längsund Querwelle bei harmonisch schwingendem Erreger
An Wellen anknüpfen, die aus dem täglichen Leben bekannt
sind: Wasserwellen, Seilwellen, Schallwellen, elektromagnetische Wellen, Licht
Versuche mit der Wellenmaschine, der Wellenwanne und
dem Federwurm durchführen
Dipolstrahlung als elektromagnetische Welle darstellen
Energietransport
Herausstellen, dass die transportierte Energie proportional
zum Quadrat der Amplitude ist
Zusammenhang zwischen Wellenlänge,
Frequenz und Betrag der Ausbreitungsgeschwindigkeit
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen
Welle im Vakuum mitteilen
Gleichung der fortschreitenden harmonischen Querwelle
- Momentanbild der harmonischen Welle
- zeitlicher Verlauf der harmonischen
Schwingung am Ort x
Es soll nur die lineare mechanische Welle betrachtet werden.
Wellenfront
Beugung
Die Beugung z. B. von Wasserwellen, Schallwellen, Dipolstrahlung, Licht im Experiment zeigen
Interferenz zweier Kreiswellen
- Gangunterschied
- Bedingungen für Maxima und Minima
der Überlagerungsamplitude
Die Überlagerungsamplitude kann mit Hilfe eines Zeigerdiagramms ermittelt werden.
Interferenz am Doppelspalt
Spezialfall: Interferenz von Licht am
optischen Gitter
kontinuierliche Spektren
und Linienspektren
Interferenzversuche z. B. mit Wasserwellen, Mikrowellen,
Licht durchführen
Am optischen Gitter nur die Hauptmaxima betrachten
Den Zusammenhang der Farbe mit der Wellenlänge bzw. der
Frequenz herausstellen
Auf Spektralanalyse hinweisen
Überblick über das elektromagnetische
Spektrum
Polarisation
- Schwächung des Empfangs bei nicht
parallelen Dipolen
- Metallgitter zwischen Dipolen
- Polarisationsfolien bei Licht
- Keine Behandlung der Doppelbrechung
Stehende Welle
Schwingungsknoten, Schwingungsbauch
Grund- und Oberschwingung
Auf den Zusammenhang P ~ E
hinweisen
Auf Polarisation durch Reflexion kann hingewiesen werden.
Anwendungen aufzeigen z. B. Spannungsoptik, Zuckerbestimmung in der Medizin
Analogiebetrachtung zwischen mechanischen stehenden
Wellen und elektromagnetischen stehenden Wellen
Dipolschwingung als stehende Welle interpretieren
Unterschiede zwischen fortschreitender und stehender Welle
herausarbeiten
Akustischer Dopplereffekt
- relativ zum Medium bewegter Empfänger: fE = f„
(
y
1± v
c
fE : Empfangsfrequenz
fs : Sendefrequenz
v und c sind hier die Beträge der Geschwindigkeiten.
relativ zum Medium bewegter Sender:
f
E
= f
Beispiel : vorbeifahrendes Fahrzeug mit Martinshorn
s"
1,1
13.3
Spezielle Relativitätstheorie
13.3.1 Die Schülerinnen und
Schüler erkennen die
Sonderstellung elektromagnetischer Signale
im Vakuum hinsichtlich
ihrer stets konstanten
Ausbreitungsgeschwindigkeit. Die geradezu
paradox erscheinende
Konsequenz dieser Erkenntnis führt sie zu
dem Bewusstsein, dass
Zeit und Raum keine
absoluten Größen sind,
sondern abhängig vom
jeweiligen Beobachtungssystem
wahrgenommen werden.
Michelson-Experiment
Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
Beschreibung des Versuchs und Diskussion der Ergebnisse
Unabhängigkeit vom Bezugssystem herausstellen; Gegensatz z. B. zur Schallausbreitung aufzeigen
Relativitätsprinzip
Gedankenexperiment; Betrachtung von relativ zueinander
bewegten Bezugssystemen; Synchronisation von Uhren
13.3.2 Ausgehend von einem
Experiment erkennen
die Schülerinnen und
Schüler, dass die Masse
eines Körpers von seiner Geschwindigkeit
abhängt. Sie erfahren,
dass Masse und Energie
äquivalente Größen sind
und begreifen, dass die
aus Jahrgangsstufe 12
bekannte Formel für die
kinetische Energie nur
bei kleinen Geschwindigkeiten gilt.
Versuch von Bucherer
Abhängigkeit der Masse von der Geschwindigkeit:
1
m = mA-
N
Mitteilung und Erläuterung der relativistischen Formel
i -r
Ruhemasse m0
Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit für Teilchen
Äquivalenz von Masse und Energie
E = m • c2
Ruheenergie
Kinetische Energie
Bewegung relativistischer Teilchen in Feldern
Gleichung mitteilen und aufdie historische Bedeutung hinweisen
Für v «
(i -
X)
c
2
mittels der Näherung
« 1 + -x
aus m = m o
1 - V"
m-c~ ~ mn-c~
Ekin = m-c2 - m0-c2
13.4
Dualismus Welle-Teilchen
für 0 < x <c 1
13.4.1 Die Schülerinnen und
Schüler erkennen, dass
der Photoeffekt dem
Wellenmodell des
Lichts widerspricht. Sie
verstehen, dass die beobachtbaren Phänomene
durch das Einstein'sche
Modell des Photons erklärt werden und können den Zusammenhang
zwischen der Frequenz
und der kinetischen
Energie der Photoelektronen anwenden.
13.4.2 Die Schülerinnen und
Schüler verstehen, dass
Photonen eine Masse
und einen Impuls haben.
Sie können entsprechende Phänomene erklären
und rechnerisch erfassen.
Äußerer Photoeffekt
Sättigungsstromstärke nach Anlegen
einer Saugspannung
Versuch nach Hallwachs durchführen
Hinweis auf Photovoltaik
Messung der kinetischen Energie der Photoelektronen mit der Gegenfeldmethode
Widersprüche zum Wellenmodell:
- Existenz einer Grenzfrequenz
- sofortiges Einsetzen des Effekts
- Unabhängigkeit der kinetischen Energie von der Bestrahlungsstärke
- Abhängigkeit der kinetischen Energie
von der Frequenz
Messung mit Vakuum-Photozelle durchführen
Einstein'sche Gleichung
Lichtquanten (Photonen)
Planck'sches Wirkungsquantum h
Masse und Impuls eines Photons
Phänomene, deren Verständnis Masse und
Impuls von Photonen erfordern:
- Ablenkung und Frequenzänderung im
Gravitationsfeld
- Auslenkung eines Spiegels
- Compton-Effekt
Experimentelle Bestimmung von h als Steigung im
Ekin(f)-Diagramm
Herleitung der Formel für die Wellenlängenänderung
13.4.3 Die Schülerinnen und
Schüler verstehen, wie
durch die statistische
Deutung der Quantentheorie das Wellenmodell mit dem Teilchenmodell verknüpft werden kann.
Stochasfische Verteilung der Photonen
Zusammenhang von Amplitudenquadrat
der Lichtwelle und Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Photonen
13.4.4 Analog zum Dualismus
Welle-Teilchen beim
Licht verstehen die
Schülerinnen und Schüler, dass auch Materieteilchen eine Wahrscheinlichkeitswelle
zugeordnet werden
kann. Sie kennen den
experimentellen Nachweis mit der Elektronenbeugungsröhre und
können dieses Experiment erklären.
De-Broglie-Materiewelle
Nachweis der Materiewelle mit der Elektronenbeugungsröhre
Bragg'sche Beziehung
Übertragung des Dualismus Welle-Teilchen auf Materie
Unabhängigkeit der Elementarladung von
der Geschwindigkeit
Einsatz von Computersimulation oder Film
Elektroneninterferenz durch Beugung an Graphitpulver zeigen
13.5
Physik des Aufbaus der
Materie
13.5.1
Atomphysik
Die Schülerinnen und
Schüler lernen entsprechend der historischen
Entwicklung verschiedene Atommodelle kennen. Speziell am Beispiel des Bohr'schen
Atommodells erfahren
sie die Leistungsfähigkeit eines Modells. Ihnen wird bewusst, dass
dabei jeweils nur Teilaspekte der physikalischen Wirklichkeit beschrieben werden.
Streuversuch von Rutherford und das zugehörige Atommodell
Bohr'sches Atommodell
- Bohr'sche Postulate
- Herleitung der Energiestufen des Wasserstoffatoms
- Serienformel, Rydbergkonstante
- Erweiterung auf andere Einelektronensysteme
Versuch nur qualitativ beschreiben
Die Bohr'sche Quantenbedingung kann durch die stehende
Materiewelle gewonnen werden.
Versuch von Franck und Hertz,
Resonanzfluoreszenz
Röntgenstrahlung
- Erzeugung von Röntgenstrahlung
- Spektrum der Röntgenstrahlung
- charakteristische Strahlung
- Bremsstrahlung
- Gesetz von Moseley für die Ka-Linie
- Messung der Wellenlänge durch Interferenz am Kristallgitter
Aufzeigen, dass die charakteristische Röntgenstrahlung das
aus dem Chemieunterricht bekannte Schalenmodell bestätigt.
Aufdie Anwendung in Medizin und Technik und die Gefährdung durch Röntgenstrahlung soll hingewiesen werden.
Das Gesetz kann mit der Serienformel für Einelektronensysteme plausibel gemacht werden.
13.5.2 Physik der Atomkerne
Mit Hilfe eines einfachen Kernmodells können die Schülerinnen
und Schüler Kernumwandlungen beschreiben. Sie verstehen die
Wirkungsweise der
wichtigsten Nachweisgeräte für radioaktive
Strahlung. Durch Experimente und theoretische Herleitung gewinnen sie die Gesetzmäßigkeiten des radioaktiven Zerfalls. Die Schülerinnen und Schüler
können die bei Kernprozessen umgesetzte
Energie erklären und
berechnen.
Kernaufbau und -zerfall
- Nukleonen
- Kernkraft
- Massen- und Kernladungszahl
- Isotope, Nuklidkarte
- a- und ß-Zerfall
- Zerfallsreihen
Auf qualitative Betrachtung beschränken
Eigenschaften der a-, ß- und y-Strahlung
Nachweisgeräte
Ionisationskammer
- Zählrohr
- Nebelkammer
Absorptionsgesetz für ß- und y-Strahlung,
Halbwertsdicke
Zerfallsgesetz, Halbwertszeit
Aktivität
Methoden zur Altersbestimmung:
l4
C-Methode, Uran-Blei-Methode
Kernumwandlungen, Energiebilanzen
initiierte Kernumwandlungen
Aktivierung
- freies Neutron
Beschränkung auf prinzipielle Funktionsweise der Nachweisgeräte
Kernenergie
- Atomare Masseneinheit
- Massendefekt
- Bindungsenergie pro Nukleon
- Kernspaltung und -fusion
- Energiebilanz bei Kernprozessen
Strahlenschutz
Dosimetrie
- Energiedosis
- Äquivalentdosis
- Sicherheitsbestimmungen
Aufdie effektive Aquivalentdosis kann hingewiesen werden.