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Physik

Vorbemerkungen

 

Bildungsplanübersicht

Schuljahr Bildungsplaneinheiten Zeitricht-wert Gesamt-stunden
Eingangsklasse Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) 20
1 Kinematik und Dynamik
30
2 Energie und Leistung
14
3 Moderne Physik
6 70
Zeit für Leistungsfeststellung 10
80
Jahrgangsstufen 1 und 2 Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) 54
4 Das magnetische Feld
10
5 Das elektrische Feld
17
6 Das Gravitationsfeld
6
7 Teilchen in Feldern
18
8 Elektromagnetische Induktion
19
9 Schwingungen
16
10 Wellen
24
11 Quantenphysik
25 189
Zeit für Leistungsfeststellung 27
216

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Nachhaltige Energieversorgung
Raketenphysik
Analyse Bungee-Sprung
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

Kinematik und Dynamik

30

Die Gesetze der Mechanik stellen einen Zusammenhang zwischen der Einwirkung auf einen Körper und der daraus resultierenden Bewegungsänderung her. Die Schülerinnen und Schüler lernen mit dem Impuls eine richtungsabhängige Erhaltungsgröße kennen und berücksichtigen besonders Impulsänderungen bei realen Bewegungen. Sie bearbeiten mit dem Impulserhaltungssatz Wechselwirkungsprobleme und sind in der Lage, mithilfe der drei Newton'schen Axiome und den Bewegungsgleichungen entsprechende Fragestellungen aus Kinematik und Dynamik zu bearbeiten.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Bewegungen in einer Dimension. Sie stellen diese Bewegungen in Diagrammen dar und interpretieren diese aus Sicht unterschiedlicher Bezugssysteme. Die Schülerinnen und Schüler bestimmen aus den Diagrammen die Geschwindigkeiten. Mithilfe der Bewegungsgleichungen für Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit führen sie Berechnungen durch.

Ort
Bezugssystem
vgl. BPE 3
Diagramme realer Bewegungen
Durchschnittsgeschwindigkeit
Momentangeschwindigkeit

Bewegungen mit konstanter Geschwindigkeit
Lichtgeschwindigkeit
  • s(t)-Diagramm
  • v(t)-Diagramm
  • Bewegungsgleichungen
Herleiten eines Diagramms aus dem zugehörigen anderen Diagramm

BPE 1.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Bewegungen mit abschnittsweise konstanter Geschwindigkeit mithilfe der Geschwindigkeit, des Impulses und deren Änderungen vektoriell. Sie wenden den Impulserhaltungssatz auf einfache Stoßvorgänge an.

Geschwindigkeit und Ort als vektorielle Größen

Orts- und Geschwindigkeitsänderung

Addition und Zerlegung vektorieller Größen
grafisch
Impuls als vektorielle Größe

Trägheitsgesetz
träge Masse
Impulsänderung
Impulsaustausch bei Wechselwirkung
Impulserhaltungssatz

Inelastische Stoßvorgänge
Elastische Stoßvorgänge ohne Verwendung des Energieerhaltungssatzes

BPE 1.3

Die Schülerinnen und Schüler wenden die Newton'schen Axiome an und erläutern den Zusammenhang zwischen der einwirkenden Kraft und der Impulsänderung, der Geschwindigkeitsänderung bzw. der Beschleunigung. Die Schülerinnen und Schüler analysieren Beispiele aus dem Alltag mithilfe dieser Zusammenhänge.

Kraft als vektorielle Größe

Definition der Kraft
Beschleunigung
\(\vec F = \frac{{\Delta \vec p}}{{\Delta t}} = m\frac{{\Delta \vec v}}{{\Delta t}} = m \cdot \vec a \)
Grundgesetz der Mechanik

Kraftstoß, Impulsänderung
Impulsänderung als „Fläche“ im F(t)-Diagramm
Wechselwirkungsgesetz
Impulsaustausch

BPE 1.4

Die Schülerinnen und Schüler ermitteln die charakteristischen Größen der Bewegung mit konstanter Beschleunigung. Sie erstellen und interpretieren Bewegungsdiagramme und Bewegungsgleichungen von Bewegungen mit konstanter Beschleunigung. Mithilfe des Superpositionsprinzips untersuchen die Schülerinnen und Schüler den waagerechten Wurf. Sie berechnen unbekannte Größen.

Bewegungen mit konstanter Beschleunigung

s(t)‑, v(t)‑, a(t)-Diagramme
z. B. Herleitung eines Diagramms aus den zugehörigen anderen Diagrammen, Durchschnitts- und Momentanbeschleunigung bei realen Bewegungen
Bewegungsgleichungen

  • Beschleunigung aus der Ruhe heraus
  • Bremsbewegung bis zum Stillstand

Freier Fall, Fallbeschleunigung
schwere Masse
Waagerechter Wurf

BPE 1.5

Die Schülerinnen und Schüler analysieren Bewegungen von Körpern, auf welche mehrere Kräfte gleichzeitig wirken. Sie bestimmen die resultierende Kraft und die daraus folgende Beschleunigung. Mithilfe des Hooke'schen Gesetzes beschreiben die Schülerinnen und Schüler die elastische Verformung von Körpern unter Krafteinwirkung.

Addition von Kräften, resultierende Kraft, Zerlegung von Kräften
\({{\vec F}_{Res}} = m \cdot \vec a\)
rechnerisch, nur für orthogonal zueinanderstehende Wirkungslinien, z. B. schiefe Ebene
Kräftegleichgewicht

Hooke'sches Gesetz

BPE 2

Energie und Leistung

14

Energie ist eine fundamentale Erhaltungsgröße, die physikalische Vorgänge der Mechanik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre und Quantenphysik verbindet. Mithilfe des Konzeptes der Energieerhaltung treffen die Schülerinnen und Schüler qualitative und quantitative Aussagen über die Änderung des Zustandes mechanischer Systeme. Zur Bewertung der Effizienz von Prozessen im Alltag und in der Technik verwenden sie die Begriffe Leistung und Wirkungsgrad. Energie wird als wertvolles Gut erkannt, das nicht in beliebiger Menge verfügbar ist. Die Schülerinnen und Schüler gewinnen Einsicht in die Notwendigkeit, mit Energie sparsam umzugehen.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler benennen grundlegende Eigenschaften und Wirkungen der Energie und beschreiben qualitativ Energieübertragungsketten in Alltag und Technik. Die Schülerinnen und Schüler erklären und deuten die Energie als Erhaltungsgröße. Außerdem erörtern und interpretieren sie den Begriff der Energieentwertung.

Energieträger, Energieübertragung, Energieumwandlung, Energieübertragungsketten
Erneuerbare Energien
  • mechanische, elektrische, thermische, elektromagnetische Energieformen

Energie als Erhaltungsgröße
Energieentwertung

BPE 2.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben quantitativ die bei mechanischen Prozessen auftretenden Energieformen. Sie interpretieren Kraft-Weg-Diagramme zur Darstellung der Energieänderung und werten diese quantitativ aus.

Mechanische Energieformen

  • kinetische Energie
  • potenzielle Energie: Lage- und Spannenergie
mechanische Energiespeicher, z. B. Schwungrad, Pumpspeicherkraftwerk, Feder
Energieänderungen durch Reibungskraft

Energieänderung im Kraft-Weg-Diagramm

BPE 2.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Energieerhaltungssatz der Mechanik und wenden ihn zur quantitativen Beschreibung eines Prozesses an. Sie erklären die durch Reibung auftretende Energie und begründen die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 1. Art.

Energieerhaltungssatz der Mechanik
Bilanzgleichungen unter Einbeziehung der Reibung
Energieerhaltungssatz zeigt die Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile 1. Art

BPE 2.4

Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Zusammenhang zwischen Energie und Leistung. Sie erklären und bewerten mithilfe von Energieflussdiagrammen den Zusammenhang von zugeführter Energie, nutzbarer Energie und Wirkungsgrad bei Energieübertragungen.

Definition der mechanischen Leistung

Wirkungsgrad
z. B. Energieversorgung, Windkraftanlage, Elektromotor, Brennstoffzelle, Kraftwerke, Glühlampe, Leuchtdiode
  • zugeführte Energie, nutzbare Energie
  • Energieflussdiagramme

BPE 3

Moderne Physik

6

Theorien ab dem 20. Jahrhundert und deren Anwendungen werden der modernen Physik zugeordnet. Die Schülerinnen und Schüler haben gezeigt, dass die Beschreibung der Natur mithilfe der Theorien der klassischen Physik nur innerhalb bestimmter Grenzen möglich ist und diskutieren faszinierende, ungewohnte Aspekte der Physik, welche zu einer neuen Weltanschauung führen.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Bewegungen und weitere physikalische Vorgänge aus der Sicht verschiedener Beobachter. Sie erläutern die Bedeutung der Wahl des Bezugssystems.

Relativitätsprinzip
Nichtexistenz eines ausgezeichneten Bezugssystems

BPE 3.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern an Beispielen die Grenzen der Newton'schen Mechanik.

Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit

Energie-Masse-Äquivalenz: \( E = m \cdot {c^2} \)
Zeitdilatation und Längenkontraktion
z. B. Sonne, Kernkraftwerk
z. B. Myonen in der Höhenstrahlung

Jahrgangsstufen 1 und 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

54

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Polarlichter
Massenspektrometrie
Elektromobilität
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 4

Das magnetische Feld

10

Magnetfelder stellen eine räumliche Verteilung spezifischer, physikalischer Eigenschaften dar und dienen zur Beschreibung von elektromagnetischen Wechselwirkungen. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Feldbegriff als themenübergreifendes Konzept kennen. Sie beschreiben mithilfe von geeigneten Modellen und Experimenten anschaulich magnetische Felder von Dauermagneten und elektrischen Strömen und stellen funktionale Zusammenhänge zwischen den feldbestimmenden Größen des magnetischen Feldes her. Grundlagen der Magnetostatik aus der Mittelstufe werden vorausgesetzt, diese können mit den Schülerinnen und Schülern handlungsorientiert wiederholt werden.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und deuten experimentell den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und magnetischem Feld. Die Struktur magnetischer Felder stellen sie unter Einbeziehung geeigneter Modelle dar und diskutieren deren Grenzen.

Oersted-Versuch

Feldlinienbilder homogener und nicht homogener Felder
Unterschiedliche Darstellungsformen, z. B. Vektoren, Graustufen, Feldflächen
  • Feld um einen geraden Leiter, Handregel
  • Feld einer Spule

BPE 4.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und untersuchen experimentell die Kraftwirkung auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld. Sie wenden die Definitionsgleichung der magnetischen Flussdichte an.

Magnetische Flussdichte

  • Kraft auf stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld
  • Drei-Finger-Regel

  • Definitionsgleichung
Zusammenhang zwischen magnetischer Flussdichte \(\vec B\) und Feldstärke \(\vec H\)

BPE 4.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und analysieren das Magnetfeld im Innern einer schlanken Spule. Sie beschreiben und untersuchen experimentell die Orientierung des Magnetfeldes der Erde.

Magnetische Flussdichte im Innern einer schlanken Spule
Hallsonde, Magnetfeldsensoren in Smartphones
Magnetfeld der Erde

  • Inklinationswinkel
  • horizontale und vertikale Komponente

BPE 5

Das elektrische Feld

17

Elektrische Felder stellen eine räumliche Verteilung spezifischer physikalischer Eigenschaften dar und dienen zur Beschreibung von elektrostatischen Wechselwirkungen. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Feldbegriff als themenübergreifendes Konzept kennen. Sie beschreiben mithilfe von geeigneten Modellen und Experimenten anschaulich elektrische Felder von statischen, elektrischen Ladungen und stellen funktionale Zusammenhänge zwischen feldbestimmenden Größen des elektrischen Feldes her. Grundlagen der Elektrizitätslehre aus der Mittelstufe werden vorausgesetzt, diese können mit den Schülerinnen und Schülern handlungsorientiert wiederholt werden.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und untersuchen experimentell die Struktur elektrischer Felder unter Einbeziehung geeigneter Modelle. Sie erläutern und veranschaulichen die Aussagen, Idealisierungen und Grenzen von Modellen elektrischer Felder.

Feldlinienbilder homogener und nicht homogener Felder
Unterschiedliche Darstellungsformen, z. B. Vektoren, Graustufen, Feldflächen (Äquipotenzialflächen)
  • Felder von Punktladungen
  • Feld eines Dipols
  • Feld eines Plattenkondensators

BPE 5.2

Die Schülerinnen und Schüler erklären experimentell den Zusammenhang der Kraftwirkung auf eine Probeladung und der elektrischen Feldstärke. Sie wenden die Definitionsgleichung der elektrischen Feldstärke an und geben sie als vektorielle Größe an. Mithilfe des Superpositionsprinzips beschreiben und erklären sie die Überlagerung von elektrischen Feldern.

Elektrische Feldstärke
Analogie zur Gravitationsfeldstärke
Coulomb'sches Gesetz
Analogie zum Gravitationsgesetz
Überlagerung der elektrischen Felder von Punktladungen

BPE 5.3

Die Schülerinnen und Schüler erläutern die Spannung als Potenzialdifferenz und stellen mithilfe von Äquipotenziallinien den Zusammenhang zwischen Potenzial und elektrischem Feld her. Sie beurteilen die Bedeutung der Flächenladungsdichte für das elektrische Feld. Den Zusammenhang von elektrischen und konstruktiven Größen am Plattenkondensator beschreiben die Schülerinnen und Schüler quantitativ und analysieren experimentell dessen Eigenschaften. Darüber hinaus bestimmen sie die Energie und Energiedichte des Plattenkondensators.

Elektrische Spannung als Potenzialdifferenz
Äquipotenzialflächen (Feldflächen)
  • Äquipotenziallinien

Flächenladungsdichte
Plattenkondensator

  • Kapazität
  • Dielektrikum

  • Feldenergie
Energiedichte
  • zeitlicher Verlauf der Stromstärke beim Aufladevorgang

BPE 6

Das Gravitationsfeld

6

Gravitationsfelder stellen eine räumliche Verteilung spezifischer physikalischer Eigenschaften dar und dienen zur Beschreibung von gravitativen Wechselwirkungen. Die Schülerinnen und Schüler lernen den Feldbegriff als themenübergreifendes Konzept kennen. Sie beschreiben mithilfe von geeigneten Modellen anschaulich Gravitationsfelder von Körpern aufgrund ihrer Masse und stellen funktionale Zusammenhänge zwischen den feldbestimmenden Größen des Gravitationsfeldes her.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und deuten mithilfe des Gravitationsgesetzes die Kraftwirkungen zwischen zwei Körpern aufgrund ihrer Masse. Die Schülerinnen und Schüler erklären, dass das homogene Gravitationsfeld als zulässige Näherung des radialen Gravitationsfeldes auf der Erdoberfläche gelten kann.

Newton'sches Gravitationsgesetz

Feldlinienbilder radialsymmetrischer und homogener Felder
Gravitationsfeldstärke als vektorielle Größe
Homogenes Feld als Näherung auf der Erdoberfläche

BPE 7

Teilchen in Feldern

18

Die Bedeutsamkeit des Superpositionsprinzips wird bei der Beschreibung von Teilchen in Feldern deutlich. Durch Analogiebetrachtungen erfahren die Schülerinnen und Schüler bei der Verknüpfung von Feldern und Dynamik gebietsübergreifend die Tragweite unterschiedlicher Konzepte in der Physik. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen die Bewegungen von geladenen und ungeladenen Körpern in Feldern und die daraus resultierenden unterschiedlichen Bahnformen. Sie stellen funktionale Zusammenhänge zwischen den Wirkungen der Felder und den Bewegungen her.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und analysieren die Bewegungen von elektrisch geladenen Teilchen im homogenen elektrischen Feld mithilfe der Analogie zu den Wurfbewegungen von Körpern im homogenen Gravitationsfeld. Sie berechnen unbekannte Größen.

Bewegungen von elektrisch geladenen Teilchen im homogenen elektrischen Feld
Erzeugung freier Elektronen
Grundgedanken des Millikan-Versuchs
Elektronenstrahlröhre
Bewegung von massebehafteten Körpern im homogenen Gravitationsfeld mit Anfangsgeschwindigkeit

  • parallel zum Feldstärkevektor

  • senkrecht zum Feldstärkevektor
vgl. BPE 1

BPE 7.2

Zur Beschreibung gleichförmiger Kreisbewegungen aus dem Alltag nennen die Schülerinnen und Schüler entsprechende Fachbegriffe. An einfachen Beispielen untersuchen sie die charakteristischen Größen der Kreisbewegung und berechnen unbekannte Größen.

Umlaufzeit
Frequenz
Bahngeschwindigkeit
Winkelgeschwindigkeit

Zentripetalbeschleunigung

Zentripetalkraft

BPE 7.3

Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Kreisbewegung von Körpern im radialsymmetrischen Gravitationsfeld sowie die Kreisbewegung elektrisch geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld.

Bewegung von Planeten, Monden, Satelliten im Gravitationsfeld eines Körpers
Bestimmung der Masse und der mittleren Dichte der Sonne
Bewegung elektrisch geladener Teilchen im homogenen Magnetfeld
senkrecht zum homogenen Magnetfeld,
e/m-Bestimmung, Massenspektrometer

BPE 8

Elektromagnetische Induktion

19

Die elektromagnetische Induktion verknüpft bereichsübergreifend elektrische und magnetische Felder und bildet die Grundlage zum Verständnis elektromagnetischer Wellen. Die Schülerinnen und Schüler lernen das Faraday'sche Induktionsgesetz als ein bedeutendes Gesetz der Physik kennen und beschreiben anschaulich Induktionsphänomene und stellen die funktionalen Zusammenhänge des allgemeinen Induktionsgesetzes in einer vertieften mathematischen Form dar. Die große Bedeutung der elektromagnetischen Induktion für die Gesellschaft erläutern die Schülerinnen und Schüler anhand zahlreicher technischer Anwendungen.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler erklären die Erzeugung von Spannung durch Induktion. Sie berechnen charakteristische Größen und erläutern technische Anwendungen der Induktion.

Induktion

  • durch bewegten Leiter

  • durch Flächenänderung

  • durch Änderung des Magnetfelds

Technische Anwendungen
Generator, Transformator, induktives Laden

BPE 8.2

Mithilfe des magnetischen Flusses erläutern die Schülerinnen und Schüler den Zusammenhang der einzelnen Verfahren, eine Induktionsspannung zu erzeugen. Sie wenden das allgemeine Induktionsgesetz an und berechnen die zu bestimmenden Größen.

Magnetischer Fluss
Allgemeines Induktionsgesetz

BPE 8.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Phänomen der Selbstinduktion und erklären die Ursache der Selbstinduktionsspannung mit der Lenz'schen Regel. Aus Experimenten entwickeln die Schülerinnen und Schüler die charakteristische Größe Induktivität. Sie erläutern, von welchen Größen die Energie des Magnetfelds abhängt.

Selbstinduktion

  • Lenz'sche Regel
  • Selbstinduktionsspannung

Induktivität

Energie des Magnetfelds
Energiedichte

BPE 9

Schwingungen

16

Schwingungen sind periodische Vorgänge im Mikro- und Makrokosmos und bilden die Grundlage zum Verständnis mechanischer und elektromagnetischer Wellen. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben diese periodischen Vorgänge und erkennen die Analogie zwischen mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen. Die Änderungen der unterschiedlichen physikalischen Größen werden durch Modellbildung mithilfe von Differenzialgleichungen beschrieben. Das Denken in Bilanzen und Gleichgewichten als grundlegendes Konzept ermöglicht einen quantifizierenden Zugang zur Beschreibung von Schwingungsvorgängen.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler führen Experimente zu mechanischen Schwingungen durch. Sie benennen die Kenngrößen harmonischer Schwingungen und beschreiben die Schwingungsvorgänge mithilfe funktionaler und analytischer Zusammenhänge. Sie ordnen lineare Rückstellkräfte harmonischen mechanischen Schwingungen zu und diskutieren den Austausch von Energie zwischen Energiereservoiren. Schließlich berechnen die Schülerinnen und Schüler unbekannte Größen.

Ungedämpfte mechanische Schwingungen: horizontales Federpendel, Fadenpendel
harmonische Schwingungen
  • Kenngrößen
  • Zusammenhang zwischen linearer Rückstellkraft und harmonischer Schwingung

Mathematische Beschreibung mithilfe der Bewegungsgesetze für s(t), v(t), a(t)

Differenzialgleichung mit Lösung

Energiebetrachtung

BPE 9.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und analysieren Experimente zu elektromagnetischen Schwingungen. Sie vergleichen mechanische und elektromagnetische Schwingungen.

Ungedämpfte elektromagnetische Schwingungen
harmonische Schwingungen
  • Energiebetrachtung

  • Thomson-Formel
ohne Herleitung über Differenzialgleichung

BPE 10

Wellen

24

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln zunächst anhand von mechanischen Wellen ihre Modellvorstellungen von Wellen als räumlich und zeitlich periodische Vorgänge. Dieses Modell wird auf das große Spektrum der elektromagnetischen Wellen übertragen. Damit erklärt es die grundsätzlichen Gemeinsamkeiten so unterschiedlicher Phänomene wie Radiowellen, Wärmestrahlung, sichtbarem Licht und Röntgenstrahlung. Die Schülerinnen und Schüler lernen mit der Interferenz und der Beugung zwei Phänomene kennen, die bei all diesen Wellenarten auftreten und mithilfe des Superpositionsprinzips und des Huygen'schen Prinzips erklärt werden können.

BPE 10.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben lineare mechanische Wellen durch ihre charakteristischen Größen und stellen ihre Ausbreitung in unterschiedlichen Diagrammen dar.

Lineare mechanische Wellen

  • Transversal- und Longitudinalwellen
  • Kenngrößen
  • Polarisation
  • Zusammenhang zwischen Frequenz, Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit

  • grafische Darstellung/Beschreibung der sinusförmigen Querwelle
zwei Betrachtungen: t = konstant; x = konstant
s(t, x)

BPE 10.2

Die Schülerinnen und Schüler erläutern das Zustandekommen von eindimensionalen stehenden Wellen mittels Interferenz und erklären die Beugung von Wellen mithilfe des Huygens'schen Prinzips. Sie beschreiben mithilfe des Gangunterschieds die Überlagerung von zweidimensionalen mechanischen Wellen und ermitteln Orte destruktiver und konstruktiver Interferenz.

Überlagerung mechanischer Wellen

  • Interferenz
Kundt’sches Rohr
  • stehende Welle
offenes und festes Ende
  • Eigenfrequenzen
Anwendung z. B. Musikinstrumente mit Grund- und Oberschwingungen, Schwebungen
Zweidimensionale mechanische Wellen

  • Huygens’sches Prinzip,
    Brechung
qualitativ
  • Reflexion, Beugung, Interferenz
dreidimensionale mechanische Wellen

BPE 10.3

Die Schülerinnen und Schüler deuten Licht als elektromagnetische Welle. Sie erklären das Zustandekommen der Beugungs- und Interferenzerscheinungen bei Versuchen mit Licht am Doppelspalt mithilfe des Wellenmodells. Sie bestimmen Orte destruktiver und konstruktiver Interferenz für mono- und polychromatisches Licht. Sie nennen Teilbereiche des elektromagnetischen Spektrums und ordnen ihnen Frequenzen bzw. Wellenlängen zu.

Lichtwellen

  • Lichtgeschwindigkeit
c als Grenzgeschwindigkeit
Zusammenhang zwischen optischen und elektrischen Größen
Elektromagnetische Wellen

  • Erzeugung
Hertz'scher Dipol
  • Ausbreitung
qualitative Verknüpfung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern
  • Interferenz am Doppelspalt mit monochromatischem und polychromatischem Licht
senkrechter Lichteinfall; ohne Berücksichtigung der Beugung am Einzelspalt; Bestimmung der Wellenlänge des Lichts, Gitter
  • elektromagnetisches Spektrum

BPE 11

Quantenphysik

25

Die Quantenphysik ist die erforderliche und wesentliche Erweiterung der klassischen Physik und stellt die Grundlage für das Verständnis atomarer und subatomarer Systeme dar. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Grenzen von Modellvorstellungen der klassischen Physik kennen. Im Vergleich zur klassischen Betrachtung von Teilchen (Determinismus, Kausalität und Lokalisierung) interpretieren die Schülerinnen und Schüler Quantenobjekte über Wahrscheinlichkeitsaussagen. Sie entwickeln das quantenphysikalische Atommodell und wenden es an Naturphänomenen an.

BPE 11.1

Am äußeren Photoeffekt erläutern die Schülerinnen und Schüler die Quantennatur des Lichts im Widerspruch zum bisher tragfähigen Wellenmodell. Mit dessen Interpretation untersuchen sie die Eigenschaften von Licht im Photonenmodell.

Photonenmodell

  • der äußere Photoeffekt: Energiequantisierung, Lichtquanten, Planck'sche Konstante
Hallwachs-Effekt
  • Photonenimpuls
Compton-Effekt, Paarerzeugung und Paarvernichtung

BPE 11.2

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben Quantenobjekte mit den quantisierten Größen Energie und Impuls. Sie deuten das Verhalten von Elektronen am Doppelspalt als interferenzfähige Quantenobjekte.

Quantenobjekte
Deutung des Amplitudenquadrats der Wellenfunktion als Antreffwahrscheinlichkeitsdichte
  • Doppelspaltversuch mit Quantenobjekten
  • Materiewelle, de-Broglie-Beziehung

Folgerungen für das physikalische Weltbild:
Nichtkausalität, Nichtdeterminiertheit, Nichtobjektivierbarkeit, Nichtlokalität
Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg für Ort und Impuls, Zeit und Energie

BPE 11.3

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben qualitativ das quantenphysikalische Atommodell. Sie deuten die Orbitale als räumliche Verteilung der Elektronen mit verschiedenen diskreten (quantisierten) Energieniveaus.

Quantisierung der Energie gebundener Elektronen

Orbitale des Wasserstoffatoms als stationäre Elektronenzustände

BPE 11.4

Die Schülerinnen und Schüler interpretieren den Franck-Hertz-Versuch und analysieren Linienspektren als Bestätigung des quantenphysikalischen Atommodells.

Emission und Absorption von Licht
Spektroskopie, Fraunhofer-Linien
  • Energieniveauschema
  • Energiewerte von Wasserstoff
  • Linienspektren

Franck-Hertz-Versuch


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