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3. Kompetenzerwartungen im Fach Physik in der Sekundarstufe I

Einleitung

Die im Folgenden beschriebenen Kompetenzen stellen verbindliche Standards für den Beitrag des Faches Physik zur naturwissenschaftlichen Grundbildung dar. Sie beschreiben die Kenntnisse, Fähigkeiten und Fertigkeiten, die sich im Unterricht bis zum Ende der Sekundarstufe I kumulativ entwickeln sollen. Sie dienen den Lehrerinnen und Lehrern als Zielorientierung. Gleichzeitig definieren sie, welche Voraussetzungen im nachfolgenden Physikunterricht in der gymnasialen Oberstufe erwartet werden können.

Die formulierten Kompetenzen beschreiben erwartete Ergebnisse des Lernens und nicht Themen für den Unterricht. Der Unterricht ist thematisch und methodisch so anzulegen, dass alle Schülerinnen und Schüler im Laufe der Jahrgangsstufen 5 bis 9 geeignete Lerngelegenheiten erhalten, die genannten Kompetenzen nachhaltig zu erwerben. Daher ist es notwendig, in den einzelnen Inhaltsfeldern und Anwendungsbereichen Schwerpunkte auf den Erwerb bestimmter Kompetenzen zu setzen. Hierzu legen die Fachkonferenzen Grundsätze fest. In der Summe müssen alle Kompetenzen am Ende der Jahrgangsstufe 9 erreicht sein.

Die Kompetenzen sind nach den in Kapitel 2 dargestellten Kompetenzbereichen geordnet und eng miteinander vernetzt.

Die prozessbezogenen Kompetenzen (Kapitel 3.1) sind nach den in Kapitel 2 dargestellten Bereichen beschrieben. Wegen ihrer Bedeutsamkeit für die drei naturwissenschaftlichen Fächer und großer Überschneidungen ist eine Abstimmung zwischen den Fächern notwendig, um Synergieeffekte zu nutzen.

Die Basiskonzepte des Faches Physik sind in Kapitel 3.2 dargestellt. Sie werden jeweils im Zusammenhang skizziert, bevor die zugehörigen konzeptbezogenen Kompetenzen dargestellt werden. Der Übersicht halber werden hier die Basiskonzepte aller drei Fächer aufgeführt.

  Basiskonzepte
Physik  System  Struktur der Materie  Energie Wechselwirkung
Biologie  System
 Struktur und Funktion  Entwicklung  
Chemie  Chemische Reaktion
 Struktur und Materie  Energie  

Die Fächer Physik und Chemie beschreiben wegen der Notwendigkeit der Verwendung einheitlicher Begriffe die Basiskonzepte „Struktur der Materie“ und „Energie“ gemeinsam. Die fachspezifisch konkretisierten Kompetenzerwartungen zu diesen Basiskonzepten werden allerdings in beiden Lehrplänen getrennt ausgewiesen. Das Basiskonzept System wird jeweils aus der Perspektive der Fächer Biologie und Physik beschrieben.

Die konzeptbezogenen Kompetenzen für das Fach Physik sind in Kapitel 3.3 dargestellt. Sie sind in drei Progressionsstufen formuliert, um die Kompetenzentwicklung im Laufe der Sekundarstufe I zu verdeutlichen und Eckpunkte für die Entwicklung schulinterner Lehrpläne zu liefern. Sie werden für das Ende der Jahrgangsstufe 6, das Ende der Jahrgangsstufe 9 (Stufe II) und eine mittlere Stufe zwischen dem Ende der Jahrgangsstufen 6 und 9 (Stufe I) ausgewiesen.

3.1 Prozessbezogene Kompetenzen im Fach Physik

Die prozessbezogenen Kompetenzen beschreiben die Handlungsfähigkeit von Schülerinnen und Schülern in Situationen, in denen naturwissenschaftliche Denk- und Arbeitsweisen erforderlich sind. Sie werden auf dem für einen Kernlehrplan angemessenen Abstraktionsniveau formuliert. Auf die Darstellung einer Progression im Laufe der Sekundarstufe I wird verzichtet. Die Ausprägung der beschriebenen Schüleraktivitäten, die Komplexität der Anwendungssituationen und der Grad der Selbstständigkeit werden in den verschiedenen Altersstufen in einer Form erwartet, die dem jeweiligen altersgemäßen Entwicklungsstand der Schülerinnen und Schüler entspricht und geschlechtsspezifischen Unterschieden in der Lernausgangslage und Umgehensweise Rechnung trägt. Dabei werden Kooperation und Kommunikation auch als Elemente fachmethodischen Arbeitens verstanden.

Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung

Experimentelle und andere Untersuchungsmethoden sowie Modelle nutzen

Bis Ende von Jahrgangsstufe 9

Schülerinnen und Schüler ...
  • beobachten und beschreiben physikalische Phänomene und Vorgänge und unterscheiden dabei Beobachtung und Erklärung.
  • erkennen und entwickeln Fragestellungen, die mit Hilfe physikalischer und anderer Kenntnisse und Untersuchungen zu beantworten sind.
  • analysieren Ähnlichkeiten und Unterschiede durch kriteriengeleitetes Vergleichen und systematisieren diese Vergleiche.
  • führen qualitative und einfache quantitative Experimente und Untersuchungen durch, protokollieren diese, verallgemeinern und abstrahieren Ergebnisse ihrer Tätigkeit und idealisieren gefundene Messdaten.
  • dokumentieren die Ergebnisse ihrer Tätigkeit in Form von Texten, Skizzen, Zeichnungen, Tabellen oder Diagrammen auch computergestützt.
  • recherchieren in unterschiedlichen Quellen (Print- und elektronische Medien) und werten die Daten, Untersuchungsmethoden und Informationen kritisch aus.
  • wählen Daten und Informationen aus verschiedenen Quellen, prüfen sie auf Relevanz und Plausibilität, ordnen sie ein und verarbeiten diese adressaten und situationsgerecht.
  • stellen Hypothesen auf, planen geeignete Untersuchungen und Experimente zur Überprüfung, führen sie unter Beachtung von Sicherheits- und Umweltaspekten durch und werten sie unter Rückbezug auf die Hypothesen aus.
  • interpretieren Daten, Trends, Strukturen und Beziehungen, wenden einfache Formen der Mathematisierung auf sie an, erklären diese, ziehen geeignete Schlussfolgerungen und stellen einfache Theorien auf.
  • stellen Zusammenhänge zwischen physikalischen Sachverhalten und Alltagserscheinungen her, grenzen Alltagsbegriffe von Fachbegriffen ab und transferieren dabei ihr erworbenes Wissen.
  • beschreiben, veranschaulichen oder erklären physikalische Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und mit Hilfe von geeigneten Modellen, Analogien und Darstellungen.

Kompetenzbereich Kommunikation

Informationen sach- und fachbezogen erschließen und austauschen

Bis Ende von Jahrgangsstufe 9

Schülerinnen und Schüler ...
  • tauschen sich über physikalische Erkenntnisse und deren Anwendungen unter angemessener Verwendung der Fachsprache und fachtypischer Darstellungen aus.
  • kommunizieren ihre Standpunkte physikalisch korrekt und vertreten sie begründet sowie adressatengerecht.
  • planen, strukturieren, kommunizieren und reflektieren ihre Arbeit, auch als Team.
  • beschreiben, veranschaulichen und erklären physikalische oder naturwissenschaftlichen Sachverhalte unter Verwendung der Fachsprache und Medien, ggfs. mit Hilfe von Modellen und Darstellungen.
  • dokumentieren und präsentieren den Verlauf und die Ergebnisse ihrer Arbeit sachgerecht, situationsgerecht und adressatenbezogen auch unter Nutzung elektronischer Medien.
  • veranschaulichen Daten angemessen mit sprachlichen, mathematischen oder (und) bildlichen Gestaltungsmitteln wie Graphiken und Tabellen auch mit Hilfe elektronischer Werkzeuge.
  • beschreiben und erklären in strukturierter sprachlicher Darstellung den Bedeutungsgehalt von fachsprachlichen bzw. alltagssprachlichen Texten und von anderen Medien.
  • beschreiben den Aufbau einfacher technischer Geräte und deren Wirkungsweise.

Kompetenzbereich Bewertung

Physikalische Sachverhalte in verschiedenen Kontexten erkennen, beurteilen und bewerten

Bis Ende von Jahrgangsstufe 9

Schülerinnen und Schüler ...
  • beurteilen und bewerten an ausgewählten Beispielen empirische Ergebnisse und Modelle kritisch auch hinsichtlich ihrer Grenzen und Tragweiten.
  • unterscheiden auf der Grundlage normativer und ethischer Maßstäbe zwischen beschreibenden Aussagen und Bewertungen.
  • stellen Anwendungsbereiche und Berufsfelder dar, in denen physikalische Kenntnisse bedeutsam sind.
  • nutzen physikalisches Wissen zum Bewerten von Chancen und Risiken bei ausgewählten Beispielen moderner Technologien und zum Bewerten und Anwenden von Sicherheitsmaßnahmen bei Experimenten im Alltag.
  • beurteilen an Beispielen Maßnahmen und Verhaltensweisen zur Erhaltung der eigenen Gesundheit und zur sozialen Verantwortung.
  • benennen und beurteilen Aspekte der Auswirkungen der Anwendung naturwissenschaftlicher Erkenntnisse und Methoden in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen an ausgewählten Beispielen.
  • binden physikalische Sachverhalte in Problemzusammenhänge ein, entwickeln Lösungsstrategien und wenden diese nach Möglichkeit an.
  • nutzen physikalische Modelle und Modellvorstellungen zur Beurteilung und Bewertung naturwissenschaftlicher Fragestellungen und Zusammenhänge.
  • beurteilen die Anwendbarkeit eines Modells.
  • beschreiben und beurteilen an ausgewählten Beispielen die Auswirkungen menschlicher Eingriffe in die Umwelt.

3.2 Basiskonzepte im Fach Physik

Basiskonzept Energie

Ausführungen zum Basiskonzept Energie werden in allen Fachlehrplänen Physik, Biologie und Chemie aufgenommen, weil eine gemeinsame Verständnisbasis der Fachlehrerinnen und Fachlehrer dieser Fächer unerlässlich ist, um eine kongruente Entwicklung des Energiekonzepts bei Schülerinnen und Schüler zu ermöglichen.

Energie ist eine der wichtigsten universellen Größen für die naturwissenschaftliche Beschreibung unserer Welt. Sie ist so etwas wie der „Treibstoff“ allen Lebens und jeder Veränderung, die sich naturwissenschaftlich beschreiben lässt. Energieumwandlungen treten bei allen Vorgängen in Natur und Technik auf und sie bestimmen entscheidend deren Ablauf. Ihre Nutzung verändert den Lebensraum Erde, ist Motor für technischen Fortschritt, erleichtert unser Leben und macht Mobilität erst möglich, um nur einige Aspekte zu nennen. Allerdings hat ihre extensive Verwendung auch nachteilige Folgen für unseren Lebensraum, wenn man etwa die globale Erwärmung betrachtet oder die begrenzten Ressourcen und das Problem der Umwandlungsprodukte in den Blick nimmt. Bedeutung und Auswirkungen der Energienutzung spielen in ökonomischen, gesellschaftlichen und damit auch in politischen Zusammenhängen eine besondere Rolle. Daher ist das konzeptuelle Verständnis von Energie wesentlicher Bestandteil naturwissenschaftlicher Grundbildung.

Energie kommt in unterschiedlichen Formen vor und kann auf unterschiedliche Weise in Körpern gespeichert sein. Sie ist z. B. verbunden mit der Bewegung, der Masse und der Verformung von Körpern, ist gespeichert in Atomkernen, in Atomen, in den chemischen Bindungen, in Feldern und als innere Energie in der thermischen Bewegung von Teilchen. Sie kann transportiert bzw. übertragen werden. Strahlung, Wärmeleitung, Kraftwirkung und elektrischer Strom sind typische Mechanismen des Energietransports bzw. der Übertragung.
Alle Energieformen lassen sich durch Wechselwirkung in andere umwandeln. Dabei bleiben Energiemengen erhalten und können bilanziert werden (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Somit können quantitative Vorhersagen über die Ergebnisse von Prozessen getroffen werden, ohne diese im Detail zu betrachten. Es reicht aus, die Energien von Anfangs- und Endzuständen zu bilanzieren. Bei allen energetischen Vorgängen, an denen thermische Prozesse beteiligt sind, findet Entwertung statt. Hier wird ein Teil der aufgenommenen Energie als Wärme in die Umgebung abgegeben. Dieser Teil ist dann nicht mehr vollständig weiter verwendbar.

Mit dem Entropiebegriff, der allerdings wegen seiner Komplexität in der Sekundarstufe I nicht thematisiert wird, lässt sich u. a. der Entwertungsaspekt bei Energiewandlungen beschreiben (2. Hauptsatz der Thermodynamik).

Das Energiekonzept ist trotz einiger didaktischer Reduktionen (z. B. Entwertung statt Entropiezunahme) trag-, aussage- und entwicklungsfähig. Es muss sich bei Schülerinnen und Schülern allerdings Schritt für Schritt entwickeln. Dies ist ein kontinuierlicher Prozess, der schon in vorschulischen Erfahrungszusammenhängen beginnt, sich im Sachunterricht der Grundschule und in der Sekundarstufe I fortsetzt und ständig von außerschulischen Erfahrungen begleitet wird.

Kinder und Jugendliche erfahren Energie schon in ihrem alltäglichen Leben als eine Größe, die einen besonderen Wert besitzt. Energiekosten im Haushalt und bei Transportmitteln, aber auch Fragen der Ressourcenverknappung, z. B. beim Erdöl, und der globalen Erwärmung, begegnen ihnen in den Medien und auch in Gesprächen zu Hause. Dabei entstehen häufig Vorstellungen, die mit den fachlichen Sichtweisen nicht oder nur teilweise übereinstimmen und deshalb durch physikalische und chemische Konzepte behutsam erweitert oder ersetzt werden müssen.

Schülerinnen und Schüler erkennen schon im Anfangsunterricht an Beispielen wie der Nahrungsaufnahme und –umsetzung, der Nutzung von Geräten im Alltag und bei chemischen Reaktionen, dass gespeicherte oder bereitgestellte Energie transportiert und in ihren Erscheinungsformen umgewandelt werden kann. Und sie sehen, dass die Energie dabei nicht verloren geht, allerdings nach ihrer Nutzung teilweise bzw. sogar vollständig unbrauchbar ist, wenn sie als Wärme an die Umgebung abgegeben wurde. Energetische Betrachtungen ermöglichen es schon früh, komplexere Vorgänge zu beschreiben, ohne auf Wechselwirkungsprozesse im Detail eingehen zu müssen.

Auf unnötige begriffliche Differenzierungen und Spezialisierungen kann und soll dabei verzichtet werden. Zum ersten Verständnis reicht es völlig aus, wenn Schülerinnen und Schüler an Beispielen beschreiben, dass z. B. Energie durch Strahlung transportiert oder durch Kraftwirkung übertragen wird, dass thermische Energie durch Kontakt, elektrische Energie durch elektrischen Strom übertragen wird.

Benennungen von Energieformen können zunächst unterbleiben. Aussagen wie „die Aufnahme (Abgabe) von Energie äußert sich in der Erwärmung (Abkühlung) des Körpers“, „die Aufnahme (Abgabe) von Energie äußert sich in Bewegungsänderungen“, „die Aufnahme (Abgabe) von Energie äußert sich in der Veränderung von Substanzen“ sind in einem ersten Zugriff durchaus tragfähig.

Auch Energieerhaltung und Energieentwertung begegnen Schülerinnen und Schülern schon im Anfangsunterricht. Dass z. B. mehr Einstrahlung zu einer größeren Temperaturerhöhung führt, dass das Abbremsen aus höherer Geschwindigkeit die Bremsen heißer macht, dass man durch zu viel Essen an Gewicht zunimmt, bietet naheliegende Zugänge zum Konzept der Erhaltung und Bilanzierung der Energie.

Im weiteren Verlauf der Sekundarstufe I nutzen Schülerinnen und Schüler die energetische Betrachtungsweise in verschiedenen Zusammenhängen. Sie erkennen z.B., dass der Ablauf chemischer Reaktionen mit Energieumsätzen verbunden ist. Sie beobachten und beschreiben Energieumwandlungen in der Natur, z.B. bei der Fotosynthese oder bei der Zellatmung, und in der Technik. Sie beschäftigen sich später detaillierter mit Umwandlungsmechanismen, die mit Kraftwirkungen verbunden sind (Arbeit) wie z. B. der Generierung elektrischer Spannung, und nutzen zunehmend auch formale Beschreibungen, um Energie zu bilanzieren.
Sie betrachten komplexere Vorgänge in Natur und Technik, bei denen Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird, unter systemischen Aspekten.
Schließlich erkennen sie, dass Energie auch beim Aufbau der Materie als Bindungsenergie eine wichtige Rolle spielt. Sie beobachten, beschreiben und analysieren Prozesse, bei denen die in Materie enthaltene Energie in chemischen und nuklearen Prozessen teilweise z.B. in elektrische Energie oder Wärme gewandelt und so der weiteren Nutzung zugeführt wird. Dabei nehmen sie auch großtechnische Energieumsetzungen in Kraftwerken in den Blick. Sie erkennen, dass bei thermischer Energie der nutzbare Anteil durch die Temperaturdifferenz zur Umgebung bestimmt wird. Ein so weit entwickeltes konzeptuelles Verständnis versetzt Schülerinnen und Schüler auch in die Lage, Bedeutung und Nutzen ebenso wie Gefahren der extensiven Energienutzung durch den Menschen einzuschätzen und verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, -aufbereitung und -nutzung unter naturwissenschaftlich-technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten zu vergleichen und zu bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanz zu diskutieren.

Basiskonzept Struktur der Materie

Modelle von der Struktur der Materie sind Grundlage für das Verständnis der modernen Physik und Chemie. Atomvorstellungen haben dabei eine wichtige Funktion. Da es hier zu Überschneidungen kommt, ist dieses Basiskonzept in beiden Lehrplänen Physik und Chemie aufgenommen worden, um die notwendigen Absprachen zwischen den Fachkonferenzen zu ermöglichen.

Die Eigenschaften, die Zusammensetzung, die Veränderungen und der Ursprung von Materie gehören zu den grundlegenden Fragestellungen der Physik und Chemie. Dabei führt die makroskopische Sicht auf Materie zur Charakterisierung und Klassifizierung von Stoffen und ihren Eigenschaften, die submikroskopische Sicht nutzt je nach darzustellendem Zusammenhang Modelle zur Beschreibung des Aufbaus der Materie. Die Untersuchung stofflicher Phänomene (Zustände und Prozesse) und deren Deutung mit Hilfe von Modellen der submikroskopischen Ebene sind grundlegendes Anliegen des Unterrichts in den Fächern Chemie und Physik. Das Basiskonzept Materie fasst die wesentlichen Phänomene, experimentellen Befunde, logischen Überlegungen und Modelle zusammen, die die Naturwissenschaften zu den heutigen Vorstellungen vom Aufbau der Materie sowie von den Wechselwirkungen zwischen den die Materie aufbauenden kleinen Teilchen geführt haben.

Materie begegnet Schülerinnen und Schülern zunächst in Objekten aus ihrem täglichen Erfahrungsbereich (die Physik nennt sie Körper) und den Stoffen, aus denen sie bestehen und die ihre Eigenschaften bestimmen. Sie lernen, Körper und Stoffe nach ihrem Aussehen, ihren Eigenschaften und ihren Nutzungsmöglichkeiten zu unterscheiden, zu charakterisieren und zu klassifizieren. Körper besitzen z. B. Oberfläche, Masse und Volumen. Körper und Stoffe können gasförmig, flüssig oder fest sein. Stoffe haben charakteristische physikalische Eigenschaften wie z. B. Dichte, Schmelz- und Siedetemperatur und spezifische Leitfähigkeit und chemische Eigenschaften. Sie reagieren auf Erwärmung oder Abkühlung durch Änderung ihrer Dichte und können dabei gegebenenfalls auch ihren Aggregatzustand und damit ihre Erscheinungsform ändern. Einige Stoffe sind von Natur aus magnetisch bzw. magnetisierbar.

Stoffe können als reine Stoffe oder als Stoffgemenge vorliegen. Ein Gemenge entsteht durch physikalische Vorgänge (Mischen), wobei die Eigenschaften der reinen Stoffe (Elementsubstanzen, Verbindungen) erhalten bleiben. Ein Gemenge kann mit physikalischen Trennverfahren in seine Bestandteile (reine Stoffe) zerlegt werden.

Aus Elementsubstanzen (Stoffe aus einer Atomart) entstehen durch chemische Reaktionen chemische Verbindungen. Ihre Eigenschaften lassen sich nicht aus den Eigenschaften der Elementsubstanzen ableiten. Chemische Reaktionen bewirken also mehr als nur die Neuordnung der beteiligten Teilchen. Chemische Verbindungen lassen sich nur durch chemische Reaktionen wieder in Elementsubstanzen zerlegen.

Neben einer Beschreibung stofflicher Phänomene sollen Schülerinnen und Schüler schon sehr früh einfache Modelle zum Aufbau der Materie kennen lernen. Viele makroskopisch zu beobachtende Eigenschaften und Veränderungen von Stoffen lassen sich durch den Aufbau der Stoffe aus Atomen erklären, die unterschiedlich stark aneinander gebunden sein können. Aber schon einige elementare elektrische Erscheinungen wie elektrostatische Aufladungen sprechen dafür, dass die Atome wiederum aus positiven und negativen Bestandteilen bestehen müssen. Ein einfaches Kern-Hülle-Modell lässt also ein differenziertes Bild der „kleinen Teilchen“ entstehen und erklärt entsprechende Beobachtungen.

Atomkerne sind aus elektrisch positiv geladenen Protonen und elektrisch neutralen Neutronen aufgebaut. Chemische Elemente unterscheiden sich in der Anzahl ihrer Protonen. Ionen unterscheiden sich von den Atomen durch Überschuss oder Mangel an Elektronen. Radioaktive Isotope lassen sich später durch Elemente mit verschiedener Neutronenzahl charakterisieren, die den Atomkern instabil werden lassen. Während der Kern fast die gesamte Masse eines Atoms ausmacht, wird die räumliche Ausdehnung durch die Hülle aus Elektronen bestimmt.

Auf der Basis dieser Kenntnisse lernen Schülerinnen und Schüler im Chemieunterricht die Aufbauprinzipien des Periodensystems kennen. Sie nutzen es zunehmend für Vorhersagen der Eigenschaften und des Reaktionsverhaltens von Elementsubstanzen. Sie lernen, dass für die Eigenschaften eines Stoffes nicht nur die Atomsorten und das Atomanzahlverhältnis verantwortlich sind. Neben der atomaren Zusammensetzung sind vor allem die Art und Weise der Verknüpfung, der Wechselwirkung und des Zusammenhalts zwischen den Teilchen, d. h. die Struktur eines Stoffes, für seine Eigenschaften entscheidend. Das gilt sogar für Stoffe, die nur aus einer einzigen Atomsorte bestehen (z.B. Diamant und Graphit).
Eine besondere Rolle spielen in der Physik die festen Körper. Mit Hilfe des Schalenmodells lassen sich schon Bindungstypen in diesen Körpern und damit Leiter, Halbleiter und Isolatoren unterscheiden.
Im Physikunterricht erfolgt eine vertiefte Behandlung der Radioaktivität und der Kernenergie. Die relativ einfachen Teilchenmodelle der Sekundarstufe I werden im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe mit Hilfe von quantenphysikalischen Vorstellungen weiter differenziert.

Basiskonzept System

Physikalische Systeme sind strukturierte Einheiten. Sie umfassen mehrere Komponenten, die so in Beziehung zueinander stehen und miteinander wechselwirken, dass sie aus übergeordneter Sicht als eine Einheit angesehen werden können. Man unterscheidet zwei Sichtweisen auf Systeme. Auf der Makroebene betrachtet man ein System und seine Eigenschaften als Ganzes von außen. Auf der Mikroebene betrachtet man die Komponenten eines Systems und ihr Zusammenwirken. Die Eigenschaften eines Systems (auf der Makroebene) werden durch seine Komponenten und deren Wechselwirkungen (auf der Mikroebene) bestimmt. Sie gehen in der Regel über die Summe der Eigenschaften der einzelnen Komponenten hinaus.

Physikalische Systeme sind in der Regel offen, lassen sich aber nach außen klar abgrenzen, um modellhaft das Geschehen in ihnen und ihre Wechselwirkung mit der Umgebung beschreiben zu können. Die Grenzen werden willkürlich so gezogen, dass sich Prozesse innerhalb des Systems und der Austausch (z. B. von Energie, Stoffen oder Informationen) mit der Umgebung bzw. mit anderen Systemen klar unterscheiden lassen. Systeme, deren Wechselwirkung mit der Umgebung für die Betrachtungen modellhaft vernachlässigt werden kann oder soll, werden als abgeschlossene Systeme bezeichnet. Welche Betrachtungsweise man wählt, hängt u. a. davon ab, ob man Prozesse innerhalb des Systems (auf der Mikroebene) oder, im Gegensatz dazu, gerade die Austauschprozesse mit der Umgebung bzw. mit anderen Systemen (Makroebene) in den Blick nehmen will.

Physikalische Systeme können stationäre Zustände (Gleichgewichtszustände) besitzen. Offene Systeme können sich mit ihrer Umgebung in einem durch Austauschprozesse bestimmten dynamischen Gleichgewicht befinden (z. B. ein Treibhaus oder die Erde im Weltraum). Störungen des Gleichgewichts führen typischerweise zu Veränderungen innerhalb des Systems und der in ihm ablaufenden Prozesse (z. B. in Form von Strömungen, Kreisläufen oder periodischen Abläufen bzw. Änderungen von Zustandsgrößen). Auf der Makroebene lassen sich bereits ohne Kenntnis der Mikroebene Gesetzmäßigkeiten zwischen äußeren Einflüssen und den Reaktionen des Systems erkennen und beschreiben. Erklärt werden können diese Gesetzmäßigkeiten aber nur durch die Struktur und die Wechselwirkungen innerhalb des Systems.
Diese Aussagen treffen im Grundsatz auf alle Systeme zu, auch solche, die in den anderen Naturwissenschaften und in der Technik betrachtet werden. Vergleicht man sie mit denen zum Basiskonzept System für den Biologieunterricht, so wird deutlich, dass in beiden Fächern ein vergleichbares Begriffsverständnis besteht.

Viele Phänomene und Funktionsweisen von Gegenständen des Alltags lassen sich mit Blick auf das System besser beschreiben und verstehen. Schon recht einfach aufgebaute Geräte, wie z. B. Fahrräder, bestehen aus mehreren Komponenten, die miteinander wechselwirken und die Gesamtfunktion des Systems Fahrrad bestimmen. Die Funktionen der verschiedenen Komponenten können in Form von Wirkungs- und Energieübertragungsketten in einen Zusammenhang gebracht werden. Dabei ist es nicht zwingend notwendig die Funktionsweise aller Subsysteme (z. B. des Dynamos) erklären zu können. Umgekehrt können Komponenten technischer Geräte (mechanische, elektrische, optische) identifiziert und ihre Funktionsweisen unter Verwendung physikalischer Prinzipien näher untersucht werden.

Andererseits erschließt eine systemische Sicht die Möglichkeit, Systeme (z. B. komplexe Bauelemente in Alltagsgeräten oder elektronische Bauelemente) durch Darstellung der Zusammenhänge von Input und Output in ihrer Wirkung auf der Makroebene zu beschreiben, ohne das Zusammenwirken der Komponenten auf der Mikroebene betrachten zu müssen.

Energiebetrachtungen erfordern von Anfang an eine systemische Sicht. Viele der bei Speicherung, Transport, Wandlung und Entwertung von Energie auf der Mikroebene ablaufenden Prozesse können in der Sekundarstufe I zunächst nicht oder nicht in allen Details geklärt werden. Dennoch ist es möglich, das energetische Verhalten von Systemen (z. B. von Energiewandlern oder temporären Energiespeichern), also den Zusammenhang zwischen dem Energiezufluss in das System hinein und dem Energieabfluss aus dem System heraus, auf der Makroebene zu erkennen und zu beschreiben. Gerade darin liegt eine der wesentlichen Stärken energetischer Betrachtungen.

Recht früh können auch schon Systeme mit thermischen Kreisläufen behandelt werden, wie sie sich etwa in Wetterphänomenen zeigen. Die Wirkungen der Sonneneinstrahlung, die Entstehung von Hoch- und Tiefdruckzonen, von Winden, Wolken und Niederschlägen können zum Anlass genommen werden, die beteiligten Komponenten und ihre Wechselwirkungen zu untersuchen und Zusammenhänge zwischen ihnen herzustellen.

Im Laufe des Physikunterrichts können zunehmend komplexere Systeme betrachtet werden. Im Anfangsunterricht lernen Kinder zum Beispiel, Komponenten zu identifizieren, die für einen einfachen elektrischen Stromkreis unerlässlich sind. Mit zunehmender Kenntnis des Zusammenwirkens dieser Komponenten ist es möglich, die Funktionsweise von komplexeren Schaltungen und später von Stromnetzen zu beschreiben und zu erklären.

Mit zunehmender Erfahrung lernen Schülerinnen und Schüler, zwischen offenen und geschlossenen Systemen zu unterscheiden und den Austausch bzw. die Wechselwirkung innerhalb und zwischen Systemen zu beschreiben. Auf diese Weise werden sie in die Lage versetzt, z. B. Maschinen, Antriebe, elektronische und medizinische Geräte und Energieversorgungseinrichtungen in ihren Funktionsweisen und Wirkungen zu analysieren und zu verstehen. Auf dieser Ebene der Erkenntnis erkennen sie dann auch die Parallelen zwischen dem Systemverständnis der Biologie und der Physik. Der besondere Wert einer systemischen Sichtweise für das Lernen von Physik besteht darin, dass sie problemorientierte Fragestellungen herausfordert. Außerdem ermöglicht sie die Betrachtung komplexerer Zusammenhänge und damit ein tieferes naturwissenschaftliches Verständnis. Sie wirkt damit einer Fragmentierung des Wissens in unverbundene Teilaspekte entgegen.

Basiskonzept Wechselwirkung

Es ist ständiges Bestreben der Physik, kausale oder in einigen Fällen auch statistische Beziehungen für natürliche Abläufe zu finden, Vorgänge aus bestehenden Bedingungen vorherzusagen und sie für Forschung oder technische Anwendungen kontrolliert reproduzieren zu können. Veränderungen, also Zusammenhänge zwischen Ursachen und Wirkungen, werden über Wechselwirkungen vermittelt. In der Physik sollen diese eindeutig erfasst, insbesondere auch messbar gemacht werden.

Fragen nach kausalen Zusammenhängen werden von Kindern schon sehr früh gestellt. Das hängt auch damit zusammen, dass sich viele Zusammenhänge in der Regel nicht direkt durch Beobachtungen ergeben, sondern durch Deutungen hergestellt werden müssen. Wirkungen werden für Kinder in vielen alltäglichen Zusammenhängen sichtbar. Sie beobachten z. B. Veränderungen der Form oder der Bewegungen im Raum, wenn Dinge im direkten Kontakt über Kräfte aufeinander einwirken. Vorgänge dieser Art werden zunächst oft spielerisch ausprobiert, körperliche Erfahrungen sind dabei von besonderer Bedeutung. Auf dieser Basis lässt sich schon früh ein physikalisches Kraftkonzept entwickeln, wobei deutlich werden muss, dass Kräfte nur über ihre Wirkungen sichtbar und damit auch vergleichbar und letztlich messbar werden. In vielen Zusammenhängen (Mechanik, Magnetismus, Elektrizität, Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen, Hydrostatik) lässt sich ein solches Kraftkonzept schon früh nutzen, um über Änderungen der Form eines Körpers oder seines Bewegungszustands auf das Vorhandensein von Kräften zu schließen und die Ursachen für diese Kräfte näher zu untersuchen.

Im Laufe des Unterrichts lernen Schülerinnen und Schüler verschiedene Kräfte und Verfahren zur quantitativen Erfassung kennen. Sie kommen auch zu funktionalen Zusammenhängen zwischen Kräften und ihren Wirkungen. Dabei sind schließlich die drei Newtonschen Gesetze von besonderer Bedeutung, da diese allgemein gültige Vorhersagen zu Kraftwirkungen in allen möglichen Situationen machen und, je nach Lage, nur die jeweils auftretenden Kräfte eingesetzt werden müssen.

In bestimmten Fällen wechselwirken Körper nicht durch direkten Kontakt miteinander, sondern es besteht eine Fernwirkung. Schülerinnen und Schüler können derartige Fernwirkungen über Magnete und über elektrische Aufladungen erfahren. Später lernen sie zusätzlich das Konzept der Gravitation kennen. Fernwirkungen lassen sich durch Felder beschreiben, die den Raum zwischen zwei Körpern ausfüllen und die Wirkung übertragen. Formal lassen sich diese Felder durch Kraftwirkungen auf einen Probekörper beschreiben, bei magnetischen Feldern ist dieser ein stromdurchflossenes Leiterstück, bei elektrischen Feldern eine Probeladung und bei Gravitationsfeldern eine Probemasse.

Wechselwirkungen spielen schließlich auch bei Strahlung eine Rolle. Schülerinnen und Schüler erfahren körperlich die Wirkung von Wärmestrahlung und Licht, etwas indirekter auch von UV-Strahlung. Im Physikunterricht untersuchen sie weitere Wechselwirkungen mit besonderen Körpern. Licht etwa kann unter bestimmten Bedingungen reflektiert, absorbiert, gebrochen oder auch in Farbbestandteile zerlegt werden. Strahlung kann aber auch den Körper verändern, mit dem sie wechselwirkt. Dies gilt in besonderem Maße für hochenergetische ionisierende elektromagnetische Strahlung und für Strahlung von Teilchen aus radioaktiven Zerfällen.

Die Betrachtung physikalischer Wechselwirkungen schlägt eine Brücke von der klassischen zur modernen Physik. Sie ist eine Hilfe zur Erklärung vieler Phänomene, die im Physikunterricht eine große Rolle spielen, und zu deren konzeptioneller Verbindung. Außerdem bietet sie die Voraussetzung zum Verständnis eines abstrakten Feldbegriffs in der gymnasialen Oberstufe. Bei der Betrachtung von Vorgängen unter der Perspektive Wechselwirkung erkennen Schülerinnen und Schüler die Notwendigkeit, Zusammenhänge zwischen Ursachen und Wirkungen herstellen und erklären zu können. Die Suche nach kausalen Erklärungen natürlicher Vorgänge befördert dabei die rationale Auseinandersetzung mit den Phänomenen.

3.3 Konzeptbezogene Kompetenzen im Fach Physik

Kompetenzen zum Basiskonzept „Energie“

Bis Ende von Jahrgang 6  Bis Ende von Jahrgang 9
   Stufe I   Stufe II
Die Schülerinnen und Schüler haben das Energiekonzept auf der Grundlage einfacher Beispiele so weit entwickelt, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler haben das Energiekonzept erweitert und so weit auch formal entwickelt, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe des Energiekonzepts Beobachtungen und Phänomene erklären sowie Vorgänge teilweise formal beschreiben und Ergebnisse vorhersagen, sodass sie ...
  • an Vorgängen aus ihrem Erfahrungsbereich Speicherung, Transport und Umwandlung von Energie aufzeigen.
  • in Transportketten Energie halbquantitativ bilanzieren und dabei die Idee der Energieerhaltung zugrunde legen.
  • an Beispielen zeigen, dass Energie, die als Wärme in die Umgebung abgegeben wird, in der Regel nicht weiter genutzt werden kann.
  • in relevanten Anwendungszusammenhängen komplexere Vorgänge energetisch beschreiben und dabei Speicherungs-, Transport-, Umwandlungsprozesse erkennen und darstellen.
  • die Energieerhaltung als ein Grundprinzip des Energiekonzepts erläutern und sie zur quantitativen energetischen Beschreibung von Prozessen nutzen.
  • die Verknüpfung von Energieerhaltung und Energieentwertung in Prozessen aus Natur und Technik (z. B. in Fahrzeugen, Wärmekraftmaschinen, Kraftwerken usw.) erkennen und beschreiben.
  • an Beispielen Energiefluss und Energieentwertung quantitativ darstellen.
  • an Beispielen energetische Veränderungen an Körpern und die mit ihnen verbundenen Energieübertragungsmechanismen einander zuordnen.
  • den quantitativen Zusammenhang von umgesetzter Energiemenge (bei Energieumsetzung durch Kraftwirkung: Arbeit), Leistung und Zeitdauer des Prozesses kennen und in Beispielen aus Natur und Technik nutzen.
  • Temperaturdifferenzen, Höhenunterschiede, Druckdifferenzen und Spannungen als Voraussetzungen für und als Folge von Energieübertragung an Beispielen aufzeigen.
  • Lage-, kinetische und durch den elektrischen Strom transportierte sowie thermisch übertragene Energie (Wärmemenge) unterscheiden, formal beschreiben und für Berechnungen nutzen.
  • beschreiben, dass die Energie, die wir nutzen, aus erschöpfbaren oder regenerativen Quellen gewonnen werden kann.
  • die Notwendigkeit zum „Energiesparen“ begründen sowie Möglichkeiten dazu in ihrem persönlichen Umfeld erläutern.
  • verschiedene Möglichkeiten der Energiegewinnung, -aufbereitung und -nutzung unter physikalisch-technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten vergleichen und bewerten sowie deren gesellschaftliche Relevanz und Akzeptanz diskutieren.

Kompetenzen zum Basiskonzept „Struktur der Materie“

Bis Ende von Jahrgang 6  Bis Ende von Jahrgang 9
  Stufe I   Stufe II
Die Schülerinnen und Schüler haben das Materiekonzept an Hand von Phänomenen hinsichtlich einer einfachen Teilchenvorstellung so weit entwickelt, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler haben das Materiekonzept durch die Erweiterung der Teilchenvorstellung so weit formal entwickelt, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe des Materiekonzepts Beobachtungen und Phänomene erklären sowie Vorgänge teilweise formal beschreiben und Ergebnisse vorhersagen, sodass sie ...
  • an Beispielen beschreiben, dass sich bei Stoffen die Aggregatzustände durch Aufnahme bzw. Abgabe von thermischer Energie (Wärme) verändern.
  • Aggregatzustände, Aggregatzustandsübergänge auf der Ebene einer einfachen Teilchenvorstellung beschreiben.
  •  verschiedene Stoffe bzgl. ihrer thermischen, mechanischen oder elektrischen Stoffeigenschaften vergleichen.
  •  die elektrischen Eigenschaften von Stoffen (Ladung und Leitfähigkeit) mit Hilfe eines einfachen Kern-Hülle-Modells erklären.
  • Eigenschaften von Materie mit einem angemessenen Atommodell beschreiben.
  • die Entstehung von ionisierender Teilchenstrahlung beschreiben.
  • Eigenschaften und Wirkungen verschiedener Arten radioaktiver Strahlung und Röntgenstrahlung nennen.
  • Prinzipien von Kernspaltung und Kernfusion auf atomarer Ebene beschreiben.
  • Zerfallsreihen mithilfe der Nuklidkarte identifizieren.
  • Nutzen und Risiken radioaktiver Strahlung und Röntgenstrahlung bewerten.

Kompetenzen zum Basiskonzept „System“

 Bis Ende von Jahrgang 6   Bis Ende von Jahrgang 9
   Stufe I  Stufe II
Die Schülerinnen und Schüler haben das Systemkonzept auf der Grundlage ausgewählter Phänomene aus Natur und Technik so weit entwickelt, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler haben das Systemkonzept so weit erweitert, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe des Systemkonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phänomene erklären sowie Vorgänge beschreiben, sodass sie ...
  • den Sonnenstand als eine Bestimmungsgröße für die Temperaturen auf der Erdoberfläche erkennen.
 
  • den Aufbau von Systemen beschreiben und die Funktionsweise ihrer Komponenten erklären (z. B. Kraftwerke, medizinische Geräte, Energieversorgung).
  • Energieflüsse in den oben genannten offenen Systemen beschreiben.
  • Grundgrößen der Akustik nennen.
  • Auswirkungen von Schall auf Menschen im Alltag erläutern.
 
  • an Beispielen erklären, dass das Funktionieren von Elektrogeräten einen geschlossenen Stromkreis voraussetzt.
  • einfache elektrische Schaltungen planen und aufbauen.
  • die Spannung als Indikator für durch Ladungstrennung gespeicherte Energie beschreiben.
  • den quantitativen Zusammenhang von Spannung, Ladung und gespeicherter bzw. umgesetzter Energie zur Beschreibung energetischer Vorgänge in Stromkreisen nutzen.
  • die Beziehung von Spannung, Stromstärke und Widerstand in elektrischen Schaltungen beschreiben und anwenden.
  • umgesetzte Energie und Leistung in elektrischen Stromkreisen aus Spannung und Stromstärke bestimmen.
 
  • technische Geräte hinsichtlich ihres Nutzens für Mensch und Gesellschaft und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt beurteilen.
  • die Funktion von Linsen für die Bilderzeugung und den Aufbau einfacher optischer Systeme beschreiben.
  • technische Geräte und Anlagen unter Berücksichtigung von Nutzen, Gefahren und Belastung der Umwelt vergleichen und bewerten und Alternativen erläutern.
  • die Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine erklären.

Kompetenzen zum Basiskonzept „Wechselwirkung“

Bis Ende von Jahrgang 6   Bis Ende Jahrgangsstufe 9
   Stufe I  Stufe II
Die Schülerinnen und Schüler haben das Wechselwirkungskonzept an einfachen Beispielen so weit entwickelt, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler haben das Wechselwirkungskonzept erweitert und so weit formal entwickelt, dass sie ... Die Schülerinnen und Schüler können mithilfe des Wechselwirkungskonzepts auch auf formalem Niveau Beobachtungen und Phänomene erklären sowie Vorgänge beschreiben und Ergebnisse vorhersagen, sodass sie ...
 
  • Bewegungsänderungen oder Verformungen von Körpern auf das Wirken von Kräften zurückführen.
  • Kraft und Geschwindigkeit als vektorielle Größen beschreiben.
  • die Wirkungsweisen und die Gesetzmäßigkeiten von Kraftwandlern an Beispielen beschreiben.
  • Druck als physikalische Größe quantitativ beschreiben und in Beispielen anwenden.
  • Schweredruck und Auftrieb formal beschreiben und in Beispielen anwenden.
  • die Beziehung und den Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft beschreiben.
  •  Bildentstehung und Schattenbildung sowie Reflexion mit der geradlinigen Ausbreitung des Lichts erklären.
  • Schwingungen als Ursache von Schall und Hören als Aufnahme von Schwingungen durch das Ohr identifizieren.
  • geeignete Schutzmaßnahmen gegen die Gefährdungen durch Schall und Strahlung nennen.
  • Absorption, und Brechung von Licht beschreiben.
  • Infrarot-, Licht- und Ultraviolettstrahlung unterscheiden und mit Beispielen ihre Wirkung beschreiben.
  • experimentelle Nachweismöglichkeiten für radioaktive Strahlung beschreiben.
  • die Wechselwirkung zwischen Strahlung, insbesondere ionisierender Strahlung, und Materie sowie die daraus resultierenden Veränderungen der Materie beschreiben und damit mögliche medizinische Anwendungen und Schutzmaßnahmen erklären.
  • beim Magnetismus erläutern, dass Körper ohne direkten Kontakt eine anziehende oder abstoßende Wirkung aufeinander ausüben können.
 
  • an Beispielen aus ihrem Alltag verschiedene Wirkungen des elektrischen Stromes aufzeigen und unterscheiden.
  • geeignete Maßnahmen für den sicheren Umgang mit elektrischem Strom beschreiben.
  • die Stärke des elektrischen Stroms zu seinen Wirkungen in Beziehung setzen und die Funktionsweise einfacher elektrischer Geräte darauf zurückführen.
  • den Aufbau eines Elektromotors beschreiben und seine Funktion mit Hilfe der magnetischen Wirkung des elektrischen Stromes erklären.
  • den Aufbau von Generator und Transformator beschreiben und ihre Funktionsweisen mit der elektromagnetischen Induktion erklären.
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