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2    Kompetenzbereiche, Inhaltsfelder und Kompetenzerwartungen

Die in den allgemeinen Aufgaben und Zielen des Faches beschriebene übergreifende fachliche Kompetenz wird ausdifferenziert, indem fachspezifische Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder identifiziert und ausgewiesen werden. Dieses analytische Vorgehen erfolgt, um die Strukturierung der fachrelevanten Prozesse einerseits sowie der Gegenstände andererseits transparent zu machen. In den Kompetenzerwartungen werden beide Seiten miteinander verknüpft. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der gleichzeitige Einsatz von Können und Wissen bei der Bewältigung von Anforderungssituationen eine zentrale Rolle spielt.

Kompetenzbereiche repräsentieren die Grunddimensionen des fachlichen Handelns. Sie dienen dazu, die einzelnen Teiloperationen entlang der fachlichen Kerne zu strukturieren und den Zugriff für die am Lehr-Lernprozess Beteiligten zu verdeutlichen.

Inhaltsfelder systematisieren mit ihren jeweiligen inhaltlichen Schwerpunkten die im Unterricht der gymnasialen Oberstufe verbindlichen und unverzichtbaren Gegenstände und liefern Hinweise für die inhaltliche Ausrichtung des Lehrens und Lernens.

Kompetenzerwartungen führen Prozesse und Gegenstände zusammen und beschreiben die fachlichen Anforderungen und intendierten Lernergebnisse, die auf zwei Stufen bis zum Ende der Sekundarstufe II erreicht werden sollen.

Kompetenzerwartungen

  • beziehen sich auf beobachtbare Handlungen und sind auf die Bewältigung von Anforderungssituationen ausgerichtet,
  • stellen im Sinne von Regelstandards die erwarteten Kenntnisse, Fähigkeiten und Fertigkeiten auf einem mittleren Abstraktionsgrad dar,
  • ermöglichen die Darstellung einer Progression vom Anfang bis zum Ende der Sekundarstufe II und zielen auf kumulatives, systematisch vernetztes Lernen,
  • können in Aufgabenstellungen umgesetzt und überprüft werden.

Insgesamt ist der Unterricht in der Sekundarstufe II nicht allein auf das Erreichen der aufgeführten Kompetenzerwartungen beschränkt, sondern soll es Schülerinnen und Schülern ermöglichen, diese weiter auszubauen und darüber hinausgehende Kompetenzen zu erwerben.

2.1 Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder des Faches

Der Physikunterricht in der gymnasialen Oberstufe ermöglicht den Erwerb von Kompetenzen, die für eine vertiefte physikalisch-naturwissen­schaftliche Bildung erforderlich sind.

Kompetenzbereiche

Dieser Kernlehrplan unterscheidet die vier Kompetenzbereiche

  • Umgang mit Fachwissen,
  • Erkenntnisgewinnung,
  • Kommunikation sowie
  • Bewertung.

Kompetenzen in diesen Bereichen treten oft gemeinsam auf, überschneiden sich teilweise und sind auch nicht immer scharf voneinander abzugrenzen.

Der Kompetenzbereich Umgang mit Fachwissen bezieht sich auf die Fähigkeit, physikalische Konzepte zur Lösung von Aufgaben und Problemen aus fachbezogenen Anwendungsbereichen auszuwählen und zu nutzen. Dazu ist ein tiefes Verständnis ihrer Bedeutung notwendig, was u.a. die Kenntnis von Eigenschaften, theoretischen Einbettungen oder funktionalen Zusammenhängen, Gültigkeitsbereichen, Beispielen für die Angemessenheit bestimmter Konzepte sowie von verknüpften Handlungsmöglichkeiten beinhaltet. Für einen sicheren Zugriff auf vorhandenes und für die Erschließung und Integration von neuem Fachwissen ist es außerdem erforderlich, das Wissen angemessen zu organisieren und zu strukturieren.

Der Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung beinhaltet die Fähigkeiten und methodischen Fertigkeiten von Schülerinnen und Schülern, naturwissenschaftliche Fragestellungen zu erkennen, diese mit Experimenten und anderen Methoden hypothesengeleitet zu untersuchen und Ergebnisse zu gewinnen und zu verallgemeinern. Naturwissenschaftliche Erkenntnis basiert im Wesentlichen auf einer Modellierung der Wirklichkeit. Modelle, von einfachen Analogien bis hin zu mathematisch-formalen Modellen und Theorien, dienen dabei zur Veranschaulichung, Erklärung und Vorhersage. Eine Reflexion der Erkenntnismethoden verdeutlicht den besonderen Charakter der Naturwissenschaften mit ihrenspezifischen Denk- und Arbeitsweisen und grenzt sie von anderen Möglichkeiten der Weltbegegnung ab.

Der Kompetenzbereich Kommunikation beschreibt erforderliche Fähigkeiten für einen produktiven fachlichen Austausch. Kennzeichnend dafür ist, mit Daten und Informationsquellen sachgerecht und kritisch umzugehen sowie fachliche Ausführungen in schriftlicher und mündlicher Form verstehen und selbst präsentieren zu können. Dazu gehört auch, gebräuchliche Darstellungsformen wie Tabellen, Graphiken und Diagramme zu beherrschen sowie bewährte Regeln der fachlichen Argumentation einzuhalten. Charakteristisch für die Naturwissenschaften ist es außerdem, eigene Überlegungen offenzulegen, eigene Gedanken und Untersuchungsergebnisse einer fachlichen Kritik durch andere auszusetzen sowie die kritische Auseinandersetzung mit fremden Ideen.

Der Kompetenzbereich Bewertung bezieht sich auf die Fähigkeit, überlegt zu urteilen. Dazu gehört, Kriterien und Handlungsmöglichkeiten sorgfältig zusammenzutragen und gegeneinander abzuwägen. Auf dieser Grundlage ist es möglich, rationale und begründete Entscheidungen zu treffen und dafür zielführend Position zu beziehen. Für gesellschaftliche und persönliche Entscheidungen sind diesbezüglich die Kenntnis und Berücksichtigung von normativen und ethischen Maßstäben bedeutsam, nach denen Interessen und Folgen naturwissenschaftlicher Forschung beurteilt werden können. Es ist jedoch auch notwendig, die Chancen für naturwissenschaftliche Problemlösungen einschätzen zu können und zu erkennen, wo naturwissenschaftliche Erkenntnis an ihre Grenzen stößt.

Inhaltsfelder

Kompetenzen sind nicht nur an Kompetenzbereiche, sondern immer auch an fachliche Inhalte gebunden. Eine vertiefte physikalisch-naturwissenschaftliche Bildung soll deshalb mit Blick auf die nachfolgenden Inhaltsfelder entwickelt werden.

 

Einführungsphase:

Wesentliche Aspekte des Inhaltsfelds Mechanik markieren den Beginn und die Grundlagen der Physik nach heutigem Verständnis. Der Bereich Mechanik beinhaltet die Analyse und Beschreibung von Bewegungen und von Kräften und deren Einfluss auf Bewegungsänderungen sowie von Energie- und Impulserhaltung. Bedeutsam sind hier auch grundlegende Gesetzmäßigkeiten der Gravitation und von Schwingungen und Wellen. Im Bereich Mechanik entwickeln sich zentrale Konzepte und Sichtweisen, die für das Verstehen der Physik in allen Bereichen einen fundamentalen Referenzrahmen bilden.

Qualifikationsphase:

 

Grundkurs:

Im Inhaltsfeld Quantenobjekte dienen das Photon und das Elektron als zwei beispielhafte Quantenobjekte, die beide in unterschiedlichen Experimenten sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter zeigen. In der Quantenmechanik gelingt die Aufhebung dieses Welle-Teilchen-Dualismus’. Die Sicht auf Quantenobjekte verbindet Wellen- und Teilchenaspekt der Materie mithilfe von Wahrscheinlichkeitsaussagen. Die Quantenphysik stellt neben der Relativitätstheorie eine der Säulen der modernen Physik dar.

Im Inhaltsfeld Elektrodynamik stehen physikalische Grundlagen der Versorgung mit elektrischer Energie im Vordergrund. Die elektromagnetische Induktion spielt hier eine wesentliche Rolle sowohl bei der Erzeugung elektrischer Spannung als auch bei der Verteilung der elektrischen Energie. Elektrodynamische Vorgänge haben in weiten Bereichen unseres täglichen Lebens vielfältige und umfangreiche Anwendung gefunden und beeinflussen unser tägliches Leben in deutlichem Maße.

Das Inhaltsfeld Strahlung und Materie beinhaltet den Aufbau des Atoms aus Elementarteilchen, die Entstehung des Lichts in der Hülle der Atome, die Emission und Ausbreitung ionisierender Strahlung aus den radioaktiven Isotopen der Materie sowie deren Einfluss auf den Menschen und auf Materie. Diese Kenntnisse bieten Entscheidungsgrundlagen zum Umgang mit ionisierender Strahlung. Einblicke in Verfahrensweisen der aktuellen theoretischen und experimentellen physikalischen Forschung ermöglichen ein grundlegendes Verständnis neuerer Modelle zum Aufbau der Materie.

Das Inhaltsfeld Relativität von Raum und Zeitliefert einen Einblick in die spezielle Relativitätstheorie. Aus der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit lassen sich Phänomene wie die Zeitdilatation auch quantitativ begründen.Die Ergebnisse der (speziellen) Relativitätstheorie scheinen unserer täglichen Erfahrung zu widersprechen, da Zeit und Raum „relativ“ sind. Der für diese Veränderungen von Raum und Zeit entscheidende Term ist der sog. relativistische Faktor. Weitere Resultate der speziellen Relativitätstheorie, sind Vorhersagen zur der Veränderlichkeit der Masse und der Energie-Masse äquivalenz.

Leistungskurs:

Das Inhaltsfeld Relativitätstheorie umfasst inhaltliche Aspekte der speziellen Relativitätstheorie wie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit,Zeitdilatation und Längenkontraktion, relativistische Massenzunahme, äquivalenz von Masse und Energie sowie einen Ausblick auf Grundaussagen der allgemeinen Relativitätstheorie.Die Relativitätstheorie hat Naturzusammenhänge aufgedeckt, die sich der unmittelbaren Erfahrung und der anschaulichen Vorstellung zu entziehen scheinen, die sich aber mathematisch exakt beschreiben lassen und inzwischen auch experimentell vielfältig bestätigt sind. Die Relativitätstheorie hat das Verständnis von Raum und Zeit zu Beginn des 20. Jahrhunderts und damit wesentliche Grundanschauungen der Physik revolutioniert.

Im Inhaltsfeld Elektrik werden Eigenschaften elektrischer Ladungsträger und ihr Verhalten in elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Weitere Schwerpunkte liegen auf den Beziehungen zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen, insbesondere auf der Beschreibung von elektromagnetischer Induktion und von elektromagnetischen Schwingungen und Wellen.Die Elektrik stellt neben der Mechanik den zweiten Teil der klassischen Beschreibung der physikalischen Natur dar. Sie liefert fundamentale Aussagen über elektrische und magnetische Sachverhalte, die in weiten Bereichen unseres täglichen Lebens vielfältige Anwendung gefunden haben und unser tägliches Leben in deutlichem Maße beeinflussen.

Im Inhaltsfeld Quantenphysik geht es um Eigenschaften von Photonenund Elektronen als Quantenobjekte, um den Welle-Teilchen-Dualismus und seine Aufhebung durch die Wahrscheinlichkeitsinterpretation, um Abgrenzungen und Unterschiede zwischen Ideen der klassischen Physik und der Quantenphysik und um Ansätze quantenphysikalischer Atommodelle.Die Sicht auf Quantenobjekte verbindet Wellen- und Teilchenaspekt der Materie mithilfe von Wahrscheinlichkeitsaussagen. Sie stellt neben der Relativitätstheorie eine der Säulen der modernen Physik dar

Das Inhaltsfeld Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik beinhaltet den Aufbau des Atoms, seiner Hülle und seines Kerns sowie den Aufbau der Materie im Kleinsten nach dem so genannten Standardmodell. Inhalte sind außerdem ionisierende Strahlung und radioaktiver Zerfall von Atomkernen sowie Kernumwandlungen durch Kernspaltung und Kernfusion.Die Behandlung von Atom- und Kernphysik bietet einerseits einen Einblick in den Aufbau der Materie unter dem Aspekt des Wandels historischer Atommodelle und liefert andererseitsEntscheidungsgrundlagen für die Einschätzung des Für und Wider im Umgang mit ionisierender Strahlung und der Nutzung von Kernenergie.

2.2 Kompetenzerwartungen und inhaltliche Schwerpunkte bis zum Ende der Einführungsphase

Der Unterricht soll es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, dass sie – aufbauend auf einer ggf. heterogenen Kompetenzentwicklung in der Sekundarstufe I – am Ende der Einführungsphase über die im Folgenden genannten Kompetenzen verfügen. Dabei werden zunächst übergeordnete Kompetenzerwartungen zu allen Kompetenzbereichen aufgeführt und im Anschluss zusätzlich inhaltsfeldbezogen konkretisiert.Die beigefügten Kürzel dienen dabei der Verortung sowie zur Verdeutlichung der Progression der übergeordneten Kompetenzerwartungen über die einzelnen Stufen hinweg (vgl. Anhang).

In den Kompetenzbereichen Umgang mit Fachwissen und Erkenntnisgewinnung sind die Formulierungen der übergeordneten Kompetenzen der Einführungsphase gleichlautend mit denen der Qualifikationsphase. Selbstverständlich findet auch hier eine Kompetenzprogression statt. Sie zeigt sich jedoch in der Bewältigung einer kontinuierlich zunehmenden Komplexität fachlicher Zusammenhänge.

Umgang mit
Fachwissen

Schülerinnen und Schüler können …

UF1

Wiedergabe

physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,

UF2

Auswahl

zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen,

UF3

Systematisierung

physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren,

UF4

Vernetzung

Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physi-kalischen Wissenserschließen und aufzeigen.

Erkenntnisgewinnung

Schülerinnen und Schüler können …

E1

Probleme und Fragestellungen

in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizie-ren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen präzisieren,

E2

Wahrnehmung und Messung

kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexeApparatu-renfür Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,

E3

Hypothesen

mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer überprüfung ableiten,

E4

Untersuchungen und Experimente

Experimente auch mit komplexen Versuchsplänen und Versuchsaufbauten mit Bezug auf ihre Zielsetzungen erläutern und diese zielbezogen unter Beachtung fachlicher Qualitätskriterien durchführen,

E5

Auswertung

Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern,

E6

Modelle

Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären oder vorhersagen,

E7

Arbeits- und Denkweisen

naturwissenschaftliches Arbeitenreflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen.

Kommunikation

Schülerinnen und Schüler können …

K1

Dokumentation

Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge,

K2

Recherche

in vorgegebenen Zusammenhängen selbstständig physikalisch-technische Fragestellungen mithilfe von Fachbüchern und anderen Quellen, auch einfachen historischen,Texten,bearbeiten,

K3

Präsentation

physikalische Sachverhalte, Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten darstellen,

K4

Argumentation

physikalische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumentenbegründen bzw. kritisieren.

Bewertung

Schülerinnen und Schüler können …

B1

Kriterien

bei Bewertungen in naturwissenschaftlich-technischen Zusammenhängen Bewertungskriterien angeben,

B2

Entscheidungen

für Bewertungenin physikalisch-technischen Zusammenhängen kriterien-geleitet Argumente abwägen und einen begründen Standpunkt beziehen,

B3

Werte und Normen

in bekannten Zusammenhängen Konflikte bei Auseinandersetzungen mit physikalisch-technischen Fragestellungen darstellen sowie mögliche Konfliktlösungen aufzeigen.

Die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler sollen im Rahmen der Behandlung des im Folgenden beschriebenen, für die Einführungsphase obligatorischen Inhaltsfelds entwickelt werden:

1.) Mechanik

Bezieht man die übergeordneten Kompetenzerwartungen sowie die unten aufgeführten inhaltlichen Schwerpunkte aufeinander, so ergeben sich die nachfolgenden konkretisierten Kompetenzerwartungen:

Inhaltsfeld 1: Mechanik

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Kräfte und Bewegungen

Energie und Impuls

Gravitation

Schwingungen und Wellen

Straßenverkehr

Physik und Sport

Flug in den Weltraum

Astronomische Beobachtungen

Basiskonzept Wechselwirkung

Lineare Bewegungen, Newton’sche Gesetze, Reibungskräfte Impuls, Stoßvorgänge Zentralkraft, Kreisbewegungen Gravitationsfeld, Newton´sches Gravitationsgesetz, Wellenausbreitung

Basiskonzept Energie

Lageenergie, Bewegungsenergie, Arbeit, Energiebilanzen, Energie und Arbeit im Gravitationsfeld Eigenschwingungen und Resonanz

Basiskonzept Struktur und Materie

Masse, Träger für Wellen

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern die Größen Position, Strecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie, Impuls und ihre Beziehungen zueinander an unterschiedlichen Beispielen (UF2, UF4),
  • unterscheiden gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen und erklären zugrundeliegende Ursachen (UF2),
  • beschreiben eindimensionale Stoßvorgänge mit Wechselwirkungen und Impulsänderungen (UF1),
  • beschreiben Wechselwirkungen im Gravitationsfeld und verdeutlichen den Unterschied zwischen Feldkonzept und Kraftkonzept (UF2, E6),
  • stellen Änderungen in den Vorstellungen zu Bewegungen und zum Sonnensystembeim Übergang vom Mittelalter zur Neuzeit dar (UF3, E7),
  • beschreiben Schwingungen und Wellen als Störungen eines Gleichgewichts und identifizieren die dabei auftretenden Kräfte (UF1, UF4),
  • erläutern das Auftreten von Resonanz mithilfe von Wechselwirkung und Energie (UF1).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • analysieren in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ sowohl aus einer Wechselwirkungsperspektive als auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1),
  • vereinfachen komplexe Bewegungs- und Gleichgewichtszustände durch Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition (E1),
  • berechnen mithilfe des Newton’schen Kraftgesetzes Wirkungen einzelner oder mehrerer Kräfte auf Bewegungszustände und sagen sie unter dem Aspekt der Kausalität vorher (E6),
  • planen selbstständig Experimente zur quantitativen und qualitativen Untersuchung einfacher Zusammenhänge (u.a. zur Analyse von Bewegungen), führen sie durch, werten sie aus und bewerten Ergebnisse und Arbeitsprozesse (E2, E5, B1),
  • verwenden Erhaltungssätze (Energie- und Impulsbilanzen), um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6),
  • entscheiden begründet, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen sind (E1, E4),
  • reflektieren Regeln des Experimentierens in der Planung und Auswertung von Versuchen (u.a. Zielorientierung, Sicherheit, Variablenkontrolle, Kontrolle von Störungen und Fehlerquellen) (E2, E4),
  • erschließen und überprüfen mit Messdaten und Diagrammen funktionale Beziehungenzwischen mechanischen Größen (E5),
  • analysieren und berechnen auftretende Kräfte bei Kreisbewegungen (E6),
  • bestimmen mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werkzeuge (u.a. Tabellenkalkulation, GTR) (E6),
  • erklären qualitativ die Ausbreitung mechanischer Wellen (Transversal- oder Longitudinalwelle) mit den Eigenschaften des Ausbreitungsmediums (E6),
  • ermitteln mithilfe der Kepler´schen Gesetze und des Gravitationsgesetzes astronomische Größen (E6),
  • beschreiben an Beispielen Veränderungen im Weltbild und in der Arbeitsweise der Naturwissenschaften, die durch die Arbeiten von Kopernikus, Kepler, Galilei und Newton initiiert wurden (E7, B3).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • stellen Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (u.a.t-s- und t-v-Diagramme, Vektordiagramme) von Hand und mit digitalen Werkzeugenangemessen präzise dar (K1, K3),
  • begründen argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen und ziehen dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnisse oder andere objektive Daten heran (K4),
  • bewerten begründet die Darstellung bekannter mechanischer und anderer physikalischer Phänomene in verschiedenen Medien (Printmedien, Filme, Internet)bezüglich ihrer Relevanz und Richtigkeit (K2, K4),
  • entnehmen Kernaussagen zu naturwissenschaftlichen Positionen zu Beginn der Neuzeit aus einfachen historischen Texten (K2,K4).

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • geben Kriterien (u.a. Objektivität, Reproduzierbarkeit, Widerspruchsfreiheit, Überprüfbarkeit) an, um die Zuverlässigkeit von Messergebnissen und physikalischen Aussagen zu beurteilen, und nutzen diese bei der Bewertung von eigenen und fremden Untersuchungen (B1),
  • erläutern unterschiedliche Positionen zum Sinn aktueller Forschungsprogramme (z.B. Raumfahrt, Mobilität) und beziehen Stellung dazu (B2, B3).

2.3 Kompetenzerwartungen und inhaltliche Schwerpunkte bis zum Ende der Qualifikationsphase

Der Unterricht soll es den Schülerinnen und Schülern ermöglichen, dass sie – aufbauend auf der Kompetenzentwicklung in der Einführungsphase – am Ende der Sekundarstufe II über die im Folgenden genannten Kompetenzen verfügen. Dabei werden zunächst übergeordnete Kompetenzerwartungen zu allen Kompetenzbereichen aufgeführt und im Anschluss zusätzlich inhaltsfeldbezogen konkretisiert. Die beigefügten Kürzel dienen dabei der Verortung sowie zur Verdeutlichung der Progression der übergeordneten Kompetenzerwartungen über die einzelnen Stufen hinweg (vgl. Anhang).

In den Kompetenzbereichen Umgang mit Fachwissen und Erkenntnisgewinnung sind die Formulierungen der übergeordneten Kompetenzen der Einführungsphase gleichlautend mit denen der Qualifikationsphase. Selbstverständlich findet auch hier eine Kompetenzprogression statt. Sie zeigt sich in der Bewältigung einer kontinuierlich zunehmenden Komplexität fachlicher Zusammenhänge.

Umgang mit
Fachwissen

Schülerinnen und Schüler können …

UF1

Wiedergabe

physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,

UF2

Auswahl

zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen,

UF3

Systematisierung

physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren,

UF4

Vernetzung

Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physi-kalischen Wissenserschließen und aufzeigen.

Erkenntnisgewinnung

Schülerinnen und Schüler können …

E1

Probleme und Fragestellungen

in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizieren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen präzisieren,

E2

Wahrnehmung und Messung

kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,

E3

Hypothesen

mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer überprüfung ableiten,

E4

Untersuchungen und Experimente

Experimente auch mit komplexen Versuchsplänen und Versuchsaufbauten mit Bezug auf ihre Zielsetzungen erläutern und diese zielbezogen unter Beachtung fachlicher Qualitätskriterien durchführen,

E5

Auswertung

Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern,

E6

Modelle

Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenex-perimenten und Simulationen erklären oder vorhersagen,

E7

Arbeits- und Denkweisen

naturwissenschaftliches Arbeitenreflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen.

Kommunikation

Schülerinnen und Schüler können …

K1

Dokumentation

bei der Dokumentation von Untersuchungen, Experimenten, theoretischen überlegungen und Problemlösungen eine korrekte Fachsprache und fachübliche Darstellungsweisen verwenden,

K2

Recherche

zu physikalischen Fragestellungen relevante Informationen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in ausgewählten wissenschaftlichen Publikationen,recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen,

K3

Präsentation

physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwen-dung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren,

K4

Argumentation

sich mit anderen über physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse kritisch-konstruktiv austauschen und dabei Behauptungen oder Beurteilungen durch Argumente belegen bzw. widerlegen.

Bewertung

Schülerinnen und Schüler können …

B1

Kriterien

fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet gewichten,

B2

Entscheidungen

Auseinandersetzungen und Kontroversen in physikalisch-technischen Zusammenhängen differenziert aus verschiedenen Perspektiven darstellen und eigene Standpunkte auf der Basis von Sachargumenten vertreten,

B3

Werte und Normen

an Beispielen von Konfliktsituationen mit physikalisch-technischen Hintergründen kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und bewerten,

B4

Möglichkeiten und Grenzen

begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.

2.3.1 Grundkurs

Die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler sollen im Rahmen der Behandlung der nachfolgenden, für den Grundkurs obligatorischen Inhaltsfelder entwickelt werden. Die unten angegebenen Inhaltsfelder betonen, orientiert an Schlüsselexperimenten, einen exemplarischen Weg durch die Physik und stellen moderne Fragestellungen der Physik in den Vordergrund.

2.) Quantenobjekte

3.) Elektrodynamik

4.) Strahlung und Materie

5.) Relativität von Raum und Zeit

Bezieht man die übergeordneten Kompetenzerwartungen sowie die unten aufgeführten inhaltlichen Schwerpunkte aufeinander, so ergeben sich die nachfolgenden konkretisierten Kompetenzerwartungen:

Inhaltsfeld 2: Quantenobjekte

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellenaspekt)

Quantenobjekte und ihre Eigenschaften

Erforschung des Elektrons

Erforschung des Photons

Basiskonzept Wechselwirkung

Bewegung von Ladungsträgern in homogenen E- und B-Feldern, Lorentzkraft, Lichtwellenlänge, Lichtfrequenz

Huygens‘sches Prinzip, Kreiswellen, ebene Wellen, Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz,

Streuung von Elektronen an Festkörpern, de Broglie-Wellenlänge Licht und Materie

Basiskonzept Energie

Energie bewegter Elektronen

Quantelung der Energie von Licht, Austrittsarbeit

Basiskonzept Struktur und Materie

Elementarladung

Elektronenmasse

Photonen als Quantenobjekt

Elektronen als Quantenobjekt

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern anhand einer vereinfachten Version des Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Ergebnisse zur Bestimmung der Elementarladung (UF1, E5),
  • bestimmen die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungsträgers nach Durchlaufen einer elektrischen Spannung (UF2),
  • beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder und erläutern deren Definitionsgleichungen. (UF2, UF1),
  • erläutern die Aussage der de Broglie-Hypothese, wenden diese zur Erklärung des Beugungsbildes beim Elektronenbeugungsexperiment an und bestimmen die Wellenlänge der Elektronen (UF1, UF2, E4).

Erkenntnisgewinnung:

  • Die Schülerinnen und Schüler
  • erläutern am Beispiel der Quantenobjekte Elektron und Photon die Bedeutung von Modellen als grundlegende Erkenntniswerkzeuge in der Physik (E6, E7),
  • modellieren Vorgänge im Fadenstrahlrohr(Energie der Elektronen,Lorentzkraft) mathematisch, variieren Parameter und leiten dafür deduktiv Schlussfolgerungen her, die sich experimentell überprüfen lassen,und ermitteln die Elektronenmasse (E6, E3, E5),
  • bestimmen Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit Doppelspalt und Gitter (E5),
  • demonstrieren anhand eines Experiments zum Photoeffekt den Quantencharakter von Licht und bestimmen den Zusammenhang von Energie, Wellenlänge und Frequenz von Photonen sowie die Austrittsarbeit der Elektronen (E5, E2),
  • untersuchen, ergänzend zum Realexperiment, Computersimulationen zum Verhalten von Quantenobjekten (E6).

Kommunikation:

  • Die Schülerinnen und Schüler
  • veranschaulichen mithilfe der Wellenwanne qualitativ unter Verwendung von Fachbegriffen auf der Grundlage des Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen sowie die Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexion und Brechung (K3),
  • verdeutlichen die Wahrscheinlichkeitsinterpretation für Quantenobjekte unter Verwendung geeigneter Darstellungen (Graphiken, Simulationsprogramme) (K3).

Bewertung:

  • Die Schülerinnen und Schüler
  • zeigen an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbereiche von Wellen- und Teilchenmodellen für Licht und Elektronen auf (B4, K4),
  • beschreiben und diskutieren die Kontroverse um die Kopenhagener Deutung und den Welle-Teilchen-Dualismus (B4, K4).

Inhaltsfeld 3: Elektrodynamik

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Spannungund

elektrische Energie

Induktion

Spannungswandlung

Energieversorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren

Wirbelströme im Alltag

Basiskonzept Wechselwirkung

Elektromagnetische Induktion

Induktionsspannung

Transformator

Lenz´sche Regel

Basiskonzept Energie

Erzeugung von sinusförmigen Wechselspannungen

Energieerhaltung

Ohm´sche "Verluste"

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • zeigen den Einfluss und die Anwendung physikalischer Grundlagen in Lebenswelt und Technik am Beispiel der Bereitstellung und Weiterleitung elektrischer Energie auf (UF4),
  • definieren die Spannung als Verhältnis von Energie und Ladung und bestimmen damit Energien bei elektrischen Leitungsvorgängen (UF2),
  • bestimmen die relative Orientierung von Bewegungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeldrichtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe einer Drei-Finger-Regel (UF2, E6),
  • erläutern am Beispiel der Leiterschaukel das Auftreten einer Induktionsspannung durch die Wirkung der Lorentzkraftauf bewegte Ladungsträger(UF1, E6),
  • führen Induktionserscheinungen an einer Leiterschleife auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeit­lich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche (effektive) Fläche“ zurück (UF3, UF4),
  • ermitteln die Übersetzungsverhältnisse von Spannung und Stromstärke beim Transformator(UF1, UF2).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern anhand des Thomson´schen Ringversuchs die Lenz´sche Regel (E5, UF4),
  • erläutern das Entstehen sinusförmiger Wechselspannungen in Generatoren (E2, E6),
  • geben Parameter von Transformatoren zur gezielten Veränderung einer elektrischen Wechselspannung an (E4),
  • werten Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen aus (E2, E5).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • verwenden ein physikalisches Modellexperiment zu Freileitungen, um technologische Prinzipien der Bereitstellung und Weiterleitung von elektrischer Energie zu demonstrieren und zu erklären (K3),
  • recherchieren bei vorgegebenen Fragestellungen historische Vorstellungen und Experimente zu Induktionserscheinungen (K2),
  • erläutern adressatenbezogen Zielsetzungen, Aufbauten und Ergebnisse von Experimenten im Bereich der Elektrodynamik jeweils sprachlich angemessen und verständlich(K3).

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • bewerten bei technischen Prozessen das Auftreten erwünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme (B1),
  • bewerten die Notwendigkeit eines geeigneten Transformierens der Wechselspannung für die effektive Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen (B1),
  • beurteilen Vor- und Nachteile verschiedener Möglichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen (B2, B1, B4).

Inhaltsfeld 4:Strahlung und Materie

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

Energiequantelung in der Atomhülle

Ionisierende Strahlung

Kernumwandlung

Standardmodell der Elementarteilchen

Erforschung des Mikro- und Makrokosmos

Mensch und Strahlung

Forschung mit Teilchenbeschleunigern

Basiskonzept Wechselwirkung

Quantenhafte Emission und Absorption von Photonen

Detektoren

Biologische Wirkung ionisierender Strahlung

(Virtuelles) Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung

Konzept der Austauschteilchen vs. Feldkonzept

Basiskonzept Energie

Linienspektren, Energieniveaus der Atomhülle, Quantelung der Energie

Dosimetrie

Energieaufnahme im menschlichen Gewebe

Basiskonzept Struktur der Materie

Kern-Hülle-Modell

Strahlungsarten

Elementumwandlung

Röntgenstrahlung

Kernbausteine und Elementarteilchen

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erklären Sternspektren und Fraunhoferlinien (UF1, E5, K2),
  • erklären die Energie absorbierter und emittierter Photonen mit den unterschiedlichen Energieniveaus in der Atomhülle (UF1, E6),
  • unterscheiden α-, β-, γ-Strahlung und Röntgenstrahlung sowie Neutronen- und Schwerionenstrahlung (UF3),
  • erläutern den Aufbau und die Funktionsweise von Nachweisgeräten für ionisierende Strahlung (Geiger-Müller-Zählrohr) und bestimmen Halbwertszeiten und Zählraten (UF1, E2),
  • erläutern den Begriff Radioaktivität und beschreiben zugehörige Kern­umwandlungsprozesse (UF1,K1),
  • beschreiben Wirkungen von ionisierender und elektromagnetischer Strahlung auf Materie und lebende Organismen (UF1),
  • erläutern mithilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phänomene der Kernphysik (UF3, E6),
  • erklären an einfachen Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell (UF1).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern, vergleichen und beurteilen Modelle zur Struktur von Atomen und Materiebausteinen (E6, UF3, B4),
  • erläutern den Nachweis unterschiedlicher Arten ionisierender Strahlung mithilfe von Absorptionsexperimenten(E4, E5),
  • erläutern die Bedeutung von Flammenfärbung und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnisse des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakteristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von Modellen der diskreten Energiezustände von Elektronen in der Atomhülle (E2, E5, E6, E7),
  • stellen dar, wie mit spektroskopischen Methoden Informationen über die Entstehung und den Aufbau des Weltalls gewonnen werden können (E2, K1),
  • begründen in einfachen Modellen wesentliche biologisch-medizinische Wirkungen von ionisierender Strahlung mit deren typischen physikalischen Eigenschaften (E6, UF4),
  • vergleichen in Grundprinzipien das Modell des Photons als Austauschteilchen für die elektromagnetische Wechselwirkung exemplarisch für fundamentale Wechselwirkungen mit dem Modell des Feldes (E6).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • interpretieren Spektraltafeln des Sonnenspektrums im Hinblick auf die in der Sonnen- und Erdatmosphäre vorhandenen Stoffe (K3, K1),
  • bereiten Informationen über wesentliche biologisch-medizinische Anwendungen und Wirkungen von ionisierender Strahlung für unterschiedliche Adressaten auf(K2, K3, B3, B4),
  • recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen zu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Elementarteilchenphysik (K2).

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Erkenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik (B1, B3),
  • bewerten Gefahren und Nutzen der Anwendung ionisierender Strahlung unter Abwägung unterschiedlicher Kriterien (B3, B4),
  • erläutern das Vorkommen künstlicher und natürlicher Strahlung, ordnen deren Wirkung auf den Menschen mithilfe einfacher dosimetrischer Begriffe ein und bewerten Schutzmaßnahmen im Hinblick auf die Strahlenbelastungen des Menschen im Alltag (B1,K2).

Inhaltsfeld 5: Relativität von Raum und Zeit

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Zeitdilatation

Veränderlichkeit der Masse

Energie-Masse Äquivalenz

Navigationssysteme

Teilchenbeschleuniger

Basiskonzept Wechselwirkung

Quantenhafte Emission und Absorption von Photonen

Detektoren

Biologische Wirkung ionisierender Strahlung

(Virtuelles) Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung

Konzept der Austauschteilchen vs. Feldkonzept

Basiskonzept Energie

Raum und Zeit

"Schnelle" Ladungsträger in E- und B-Feldern

Ruhemasse und dynamische Masse

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • interpretieren das Michelson-Morley-Experiment als ein Indiz für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (UF4),
  • erläutern die Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie (UF1),
  • begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze für Geschwindigkeiten von Objekten, dass eine additive Überlagerung von Geschwindig­keiten nur für „kleine“ Geschwindigkeiten gilt(UF2),
  • erläutern die Energie-Masse Äquivalenz (UF1).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erklären anschaulich mit der Lichtuhr grundlegende Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie und ermitteln quantitativ die Formel für die Zeitdilatation (E6, E7),
  • erläutern qualitativ den Myonenzerfall in der Erdatmosphäre als experimentellen Beleg für die von der Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdilatation (E5, UF1).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern die relativistische Längenkontraktion über eine Plausibilitätsbetrachtung (K3),
  • erläutern die Funktionsweise eines Zyklotrons und argumentieren zu den Grenzen einer Verwendung zur Beschleunigung von Ladungsträgern bei Berücksichtigung relativistischer Effekte (K4, UF4),
  • beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen (K3).

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • diskutieren die Bedeutung von Schlüsselexperimenten bei physikalischen Paradigmenwechseln an Beispielen aus der Relativitätstheorie (B4, E7),
  • bewerten die Bedeutung der Beziehung E =mc2 für die Kernspaltung und Kernfusion (B1, B3).

2.3.2 Leistungskurs

Die Kompetenzen der Schülerinnen und Schüler sollen im Rahmen der Behandlung der nachfolgenden, für den Leistungskurs obligatorischen Inhaltsfelder entwickelt werden:

2.) Relativitätstheorie

3.) Elektrik

4.) Quantenphysik

5.) Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik

Bezieht man die zu Beginn des Kapitels 2.3 beschriebenen übergeordneten Kompetenzerwartungen sowie die unten aufgeführten inhaltlichen Schwerpunkte aufeinander, so ergeben sich die nachfolgenden konkretisierten Kompetenzerwartungen:

Inhaltsfeld 2: Relativitätstheorie

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Problem der Gleichzeitigkeit

Zeitdilatation und Längenkontraktion

Relativistische Massenzunahme

Energie-Masse-Beziehung

Der Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung

Gedankenexperimente in der Relativitätstheorie ("Mit einem fast lichtschnellen Fahrrad durch die Stadt")

Höhenstrahlung

Satellitennavigation

Basiskonzept Wechselwirkung

Inertialsysteme

Gegenseitige Bedingung von Raum und Zeit

Ruhemasse und dynamische Masse

Annihilation

Prinzip der Äquivalenz von Gravitation und gleichmäßig beschleunigten Bezugssystemen

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • begründen mit dem Ausgang des Michelson-Morley-Experiments die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit (UF4, E5, E6),
  • erläuterndie Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie (UF1),
  • erläutern die relativistischen Phänomene Zeitdilatation und Längenkontraktion anhand des Nachweises von in der oberen Erdatmosphäre entstehenden Myonen (UF1),
  • erläutern das Problem der relativen Gleichzeitigkeit mit inzwei verschiedenen Inertialsystemen jeweils synchronisierten Uhren (UF2),
  • erläutern die Energie-Masse-Beziehung (UF1),
  • berechnen die relativistische kinetische Energie von Teilchen mithilfe der Energie-Masse-Beziehung (UF2),
  • beschreiben qualitativ den Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung (UF4),
  • beschreiben die Bedeutung der Energie-Masse-Äquivalenz hinsichtlich der Annihilation von Teilchen und Antiteilchen (UF4),
  • begründen mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze für Geschwindigkeiten von Objekten Auswirkungen auf die additive Überlagerung von Geschwindig­keiten (UF2).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • leiten mithilfe der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und des Modells Lichtuhr quantitativ die Formel für die Zeitdilatation her (E5),
  • begründen den Ansatz zur Herleitung der Längenkontraktion (E6),
  • bestimmenund bewerten den bei der Annihilation von Teilchen und Antiteilchen frei werdenden Energiebetrag (E7, B1),
  • reflektieren die Nützlichkeit des Modells Lichtuhr hinsichtlich der Herleitung des relativistischen Faktors (E7).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern auf der Grundlage historischer Dokumente ein Experiment (Bertozzi-Versuch) zum Nachweis der relativistischen Massenzunahme (K2, K3),
  • beschreiben Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen (K3),
  • veranschaulichen mithilfe eines einfachen gegenständlichen Modells den durch die Einwirkung von massebehafteten Körpern hervorgerufenen Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung sowie die „Krümmung des Raums“ (K3).

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • beurteilen die Bedeutung der Beziehung E=mc2 für Erforschung und technische Nutzung von Kernspaltung und Kernfusion (B1, B3),
  • bewerten Auswirkungen der Relativitätstheorie auf die Veränderung des physikalischen Weltbilds (B4).

Inhaltsfeld 3: Elektrik

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder

Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern

Elektromagnetische Induktion

Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

Untersuchung von Elektronen

Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektrischer Energie

Drahtlose Nachrichtenübermittlung

Elektromagnetische Phänomene in elektrotechnischen Geräten

Basiskonzept Wechselwirkung

Ladungstrennung, elektrische und magnetische Felder, Feldlinien

Bewegung von Ladungsträgern in Feldern

"Schnelle" Ladungsträger in E- und B-Feldern

Auf- und Entladung von Kondensatoren

Induktionsvorgänge, Induktionsgesetz

Lenz‘sche Regel

Elektromagnetische Schwingung im RLC-Kreis

Entstehung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen

Licht und Mikrowellen –Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Huygens’sches Prinzip

Basiskonzept Energie

Potentielle Energie im elektrischen Feld, Spannung, Kondensator

Energie des elektrischen und des magnetischen Feldes

Energie bewegter Ladungsträger

Energieumwandlungsprozesse im RLC-Kreis

Energietransport und Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen

Basiskonzept Struktur der Materie

Ladungsträger, Elementarladung

Elektronenmasse

 

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erklären elektrostatische Phänomene und Influenz mithilfe grundlegender Eigenschaften elektrischer Ladungen (UF2, E6),
  • beschreiben Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder und erläutern die Definitionsgleichungen der entsprechenden Feldstärken (UF2, UF1),
  • erläutern den Feldbegriff und zeigen dabei Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen Gravitationsfeld, elektrischem und magnetischem Feld auf (UF3, E6),
  • wählen Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Größen sowie physikalische Gesetze (u.a.Coulomb’sches Gesetz, Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, Lorentzkraft, Spannung im homogenen E-Feld) problembezogen aus (UF2),
  • bestimmen die relative Orientierung von Bewegungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeldrichtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe einer Drei-Finger-Regel (UF2, E6),
  • ermitteln die in elektrischen bzw. magnetischen Feldern gespeicherte Energie (Kondensator, Spule) (UF2),
  • beschreiben qualitativ die Erzeugung eines Elektronenstrahls in einer Elektronenstrahlröhre (UF1, K3),
  • ermitteln die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungsträgers nach Durchlaufen einer Spannung (auch relativistisch) (UF2, UF4, B1),
  • bestimmen die Richtungen von Induktionsströmen mithilfe der Lenz’schen Regel (UF2,UF4,E6),
  • erläutern qualitativ die bei einer ungedämpften elektromagnetischen Schwingung in der Spule und am Kondensator ablaufenden physikalischen Prozesse (UF1, UF2),
  • beschreiben den Schwingvorgang im RLC-Kreis qualitativ als Energieumwandlungsprozess und benennen wesentliche Ursachen für die Dämpfung (UF1, UF2,E5),
  • beschreiben den Hertz’schen Dipol als einen (offenen) Schwingkreis (UF1, UF2, E6),
  • erläutern qualitativ die Entstehung eines elektrischen bzw. magnetischen Wirbelfeldsbei B- bzw. E-Feldänderung und die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle (UF1, UF4, E6),
  • beschreiben qualitativ die lineare Ausbreitung harmonischerWellen als räumlich und zeitlich periodischen Vorgang (UF1, E6),
  • beschreiben die Phänomene Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz im Wellenmodell und begründen sie qualitativ mithilfe des Huygens’schen Prinzips (UF1, E6).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • beschreiben qualitativ und quantitativ, bei vorgegebenen Lösungsansätzen, Ladungs- und Entladungsvorgänge in Kondensatoren (E4, E5, E6),
  • leiten physikalische Gesetze (u.a.die im homogenen elektrischen Feld gültige Beziehung zwischen Spannung und Feldstärkeund den Term für die Lorentzkraft) aus geeigneten Definitionen und bekannten Gesetzen deduktiv her (E6, UF2),
  • wählen begründet mathematische Werkzeuge zur Darstellung und Auswertung von Messwerten im Bereich der Elektrik (auch computergestützte graphische Darstellungen, Linearisierungsverfahren, Kurvenanpassungen), wenden diese an und bewerten die Güte der Messergebnisse (E5, B4),
  • beschreiben qualitativ und quantitativ die Bewegung von Ladungsträgern in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern sowie in gekreuzten Feldern (Wien-Filter, Hall-Effekt) (E1, E2, E3,E4, E5UF1, UF4),
  • erläutern den Einfluss der relativistischen Massenzunahme auf die Bewegung geladener Teilchen im Zyklotron (E6, UF4),
  • schließen aus spezifischen Bahnkurvendaten bei der e/m-Bestimmung und beim Massenspektrometer auf wirkende Kräfte sowie Eigenschaften von Feldern und bewegten Ladungsträgern (E5, UF2),
  • führen das Auftreten einer Induktionsspannung auf die zeitliche Änderung der von einem Leiter überstrichenen gerichteten Fläche in einem Magnetfeld zurück (u.a. bei der Erzeugung einer Wechselspannung) (E6),
  • identifizieren Induktionsvorgänge aufgrund der zeitlichen Änderung der magnetischen Feldgröße B in Anwendungs- und Alltagssituationen (E1, E6, UF4),
  • planen und realisieren Experimente zum Nachweis der Teilaussagen des Induktionsgesetzes (E2, E4, E5),
  • begründen die Lenz’sche Regel mithilfe des Energie- und des Wechselwirkungskonzeptes (E6, K4),
  • erläutern die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen,erstellen aussagekräftige Diagramme und werten diese aus (E2, E4,E5, B1),
  • beschreiben die Interferenz an Doppelspalt und Gitter im Wellenmodell und leiten die entsprechenden Terme für die Lage der jeweiligen Maxima n-ter Ordnung her (E6,UF1, UF2),
  • ermitteln auf der Grundlage von Brechungs-, Beugungs- und Interferenzerscheinungen (mit Licht- und Mikrowellen) die Wellenlängen und die Lichtgeschwindigkeit(E2, E4, E5).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern und veranschaulichen die Aussagen, Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodellen, nutzen Feldlinienmodelle zur Veranschaulichung typischer Felder und interpretieren Feldlinienbilder (K3, E6, B4),
  • erstellen, bei Variation mehrerer Parameter, Tabellen und Diagramme zur Darstellung von Messwerten aus dem Bereich der Elektrik(K1, K3,UF3),
  • erläutern konstruktive und destruktive Interferenz sowie die entsprechenden Bedingungen mithilfe geeigneter Darstellungen (K3, UF1),
  • erläutern anhand schematischer Darstellungen Grundzüge der Nutzung elektromagnetischer Trägerwellen zur Übertragung von Informationen (K2, K3, E6).

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern an Beispielen den Stellenwert experimenteller Verfahren bei der Definition physikalischer Größen (elektrische und magnetische Feldstärke) und geben Kriterien zu deren Beurteilung an (z.B. Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Unabhängigkeit von Ort und Zeit) (B1, B4),
  • treffen im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genauigkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung (B1),
  • entscheiden für Problemstellungen aus der Elektrik, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorgehen sinnvoller ist (B4, UF2, E1),

Inhaltsfeld 4: Quantenphysik

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Licht und Elektronen als Quantenobjekte

Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlichkeitsinterpretation

Quantenphysik und klassische Physik

Von klassischen Vorstellungen zur Quantenphysik

Die Quantenphysik verändert das Weltbild

Die Welt kleinster Dimensionen: Mikroobjekte und Quantentheorie

Basiskonzept Wechselwirkung

Lichtelektrischer Effekt, Lichtquantenhypothese

Röntgenstrahlung

Streuung und Beugung von Elektronen

Basiskonzept Energie

Lichtquanten,

Planck´sches Wirkungsquantum

Energiewerte im linearen Potentialtopf

Basiskonzept Struktur der Materie

Teilcheneigenschaften von Photonen

Wellencharakter von Elektronen

De Broglie-Hypothese

Wellenfunktion und Aufenthaltswahrscheinlichkeit

linearer Potentialtopf

Heisenberg´sche Unschärferelation

 

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern die qualitativen Vorhersagen der klassischen Elektrodynamik zur Energie von Photoelektronen (bezogen auf die Frequenz und Intensität des Lichts) (UF2, E3),
  • beschreiben den Aufbau einer Röntgenröhre (UF1),
  • stellen anhand geeigneter Phänomene dar, wann Licht durch ein Wellenmodell bzw. ein Teilchenmodell beschrieben werden kann (UF1, K3, B1),
  • erläutern bei Quantenobjekten das Auftreten oder Verschwinden eines Interferenzmusters mit dem Begriff der Komplementarität (UF1, E3),
  • erklären die deBroglie-Hypothese am Beispiel von Elektronen (UF1),
  • deuten das Quadrat der Wellenfunktion qualitativ als Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen (UF1, UF4),
  • erläutern die Aufhebung des Welle-Teilchen-Dualismus durch die Wahrscheinlichkeitsinterpretation (UF1, UF4),
  • erläutern die Aussagen und die Konsequenzen der Heisenberg´schen Unschärferelation (Ort-Impuls, Energie-Zeit) an Beispielen (UF1, K3),
  • ermitteln die Wellenlänge und die Energiewerte von im linearen Potentialtopf gebundenen Elektronen (UF2, E6).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erläutern den Widerspruch der experimentellen Befunde zum Photo­effekt zur klassischen Physik und nutzen zur Erklärung die Einstein’sche Lichtquantenhypothese (E6, E1),
  • ermitteln aus den experimentellen Daten eines Versuchs zum Photo­effekt das Planck´sche Wirkungsquantum (E5, E6),
  • deuten die Entstehung der kurzwelligen Röntgenstrahlung als Umkehrung des Photoeffekts(E6),
  • erläutern die Bragg-Reflexion an einem Einkristall und leiten die Bragg’sche Reflexionsbedingung her (E6),
  • legen am Beispiel des Photoeffekts und seiner Deutung dar, dass neue physikalische Experimente und Phänomene zur Veränderung des physikalischen Weltbildes bzw. zur Erweiterung oder Neubegründung physikalischer Theorien und Modelle führen können (E7),
  • interpretieren experimentelle Beobachtungen an der Elektronenbeugungsröhre mit den Welleneigenschaften von Elektronen (E1, E5, E6),
  • erläutern die Bedeutung von Gedankenexperimenten und Simulationsprogrammen zur Erkenntnisgewinnung bei der Untersuchung von Quantenobjekten (E6, E7).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • führen Recherchen zu komplexeren Fragestellungen der Quantenphysik durch und präsentieren die Ergebnisse (K2, K3),
  • beschreiben und erläutern Aufbau und Funktionsweise von komplexen Versuchsaufbauten (u.a. zur h-Bestimmung und zur Elektronenbeugung) (K3, K2),
  • diskutieren und begründen das Versagen der klassischen Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse (K4, E6).

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • diskutieren das Auftreten eines Paradigmenwechsels in der Physik am Beispiel der quantenmechanischen Beschreibung von Licht und Elektronen im Vergleich zur Beschreibung mit klassischen Modellen (B2, E7),
  • bewerten den Einfluss der Quantenphysik im Hinblick auf Veränderungen des Weltbildes und auf Grundannahmen zur physikalischen Erkenntnis (B4, E7).

Inhaltsfeld 5: Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik

Inhaltliche Schwerpunkte

Vorschläge für mögliche Kontexte

Atomaufbau

Ionisierende Strahlung

Radioaktiver Zerfall

Kernspaltung und Kernfusion

Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen

Geschichte der Atommodelle

Lichtquellen und ihr Licht

Physik in der Medizin (Bildgebende Verfahren,Radiologie)

(Erdgeschichtliche) Altersbestimmungen

Energiegewinnung durch nukleare Prozesse

Forschung an Teilchenbeschleunigern

Basiskonzept Wechselwirkung

Kernkräfte

Kettenreaktion

Austauschteilchen der fundamentalen Wechselwirkungen

Konzept der Austauschteilchen vs. Feldkonzept

Basiskonzept Energie

Linienspektren

Energiequantelung der Hüllelektronen

Dosimetrie

Bindungsenergie

äquivalenz von Masse und Energie

Basiskonzept Struktur der Materie

Kern-Hülle-Modell

Bohr’sche Postulate

Strahlungsarten

Zerfallsprozesse

Massendefekt

Kernbausteine und Elementarteilchen

 

Umgang mit Fachwissen:

Die Schülerinnen und Schüler

  • geben wesentliche Schritte in der historischen Entwicklung der Atom­modelle bis hin zum Kern-Hülle-Modell wieder(UF1),
  • benennen Protonen und Neutronen als Kernbausteine, identifizieren Isotope und erläutern den Aufbau einer Nuklidkarte (UF1),
  • identifizieren natürliche Zerfallsreihen sowie künstlich herbeigeführte Kernumwandlungsprozesse mithilfe der Nuklidkarte (UF2),
  • erklären die Ablenkbarkeit von ionisierenden Strahlenin elektrischen und magnetischen Feldern sowie die Ionisierungsfähigkeit und Durchdringungsfähigkeit mit ihren Eigenschaften (UF3),
  • bestimmen mithilfe des Zerfallsgesetzes das Alter von Materialien mit der C14-Methode (UF2),
  • erläutern das Absorptionsgesetzfür Gamma-Strahlung, auch für verschiedene Energien (UF3),
  • erklären die Entstehung des Bremsspektrums und des charak­teristischen Spektrumsder Röntgenstrahlung (UF1),
  • stellen die physikalischen Grundlagen von Röntgenaufnahmen und Szintigrammen als bildgebende Verfahren dar (UF4),
  • beschreiben Kernspaltung und Kernfusion unter Berücksichtigung von Bindungsenergien (quantitativ) und Kernkräften (qualitativ) (UF4),
  • systematisieren mithilfe des heutigen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine und erklären mit ihm Phänomene der Kernphysik (UF3),
  • erklären an Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell mithilfe der Heisenberg’schen Unschärferelation und der Energie-Masse-Äquivalenz (UF1).

Erkenntnisgewinnung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • erklären Linienspektren in Emission und Absorption sowie den Franck-Hertz-Versuch mit der Energiequantelung in der Atomhülle (E5),
  • stellen die Bedeutung des Franck-Hertz-Versuchs und der Experimente zu Linien­spektren in Bezug auf die historische Bedeutung des Bohr’schen Atommodells dar (E7),
  • benennen Geiger-Müller-Zählrohr und Halbleiterdetektor als experimentelle Nachweismöglichkeiten für ionisierende Strahlung und unterscheiden diese hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur Messung von Energien (E6),
  • leiten das Gesetz für den radioaktiven Zerfall einschließlich eines Terms für die Halbwertszeit her (E6),
  • entwickeln Experimente zur Bestimmung der Halbwertszeit radioaktiver Substanzen (E4, E5),
  • erläutern die Entstehung einer Kettenreaktion als relevantes Merkmal für einen selbstablaufenden Prozess im Nuklearbereich (E6),
  • vergleichen das Modell der Austauschteilchen im Bereich der Elementarteilchen mit dem Modell des Feldes (Vermittlung, Stärke und Reichweite der Wechselwirkungskräfte) (E6).

Kommunikation:

Die Schülerinnen und Schüler

  • nutzen Hilfsmittel, um bei radioaktiven Zerfällen den funktionalen Zusammenhang zwischen Zeitund Abnahme der Stoffmenge sowie der Aktivität radioaktiver Substanzenzu ermitteln (K3),
  • erläutern in allgemein verständlicher Form bedeutsame Größen der Dosimetrie (Aktivität, Energie- und äquivalentdosis) auch hinsichtlich der Vorschriften zum Strahlenschutz (K3),
  • recherchieren in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen zu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Elementarteilchenphysik(K2),

Bewertung:

Die Schülerinnen und Schüler

  • bewerten an ausgewählten Beispielen Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Erkenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik (B1),
  • formulieren geeignete Kriterien zur Beurteilung des Bohr´schen Atommodells aus der Perspektive der klassischen und der Quantenphysik (B1, B4),
  • bewerten den Massendefekt hinsichtlich seiner Bedeutung für die Gewinnungvon Energie (B1),
  • beurteilen Nutzen und Risiken ionisierender Strahlung unter verschiedenen Aspekten (B4),
  • beurteilen Nutzen und Risiken von Kernspaltung und Kernfusion anhand verschiedener Kriterien(B4),
  • hinterfragen Darstellungen in Medien hinsichtlich technischer und sicherheitsrelevanter Aspekte der Energiegewinnung durch Spaltung und Fusion(B3, K4).
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© 2018 Qualitäts- und UnterstützungsAgentur - Landesinstitut für Schule - Letzte Änderung: 10.02.2014