Suchfunktion

Physikalische Laborübungen

Vorbemerkungen

 

Bildungsplanübersicht

Schuljahr Bildungsplaneinheiten Zeitricht-wert Gesamt-stunden
Eingangsklasse Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) 20
1 Physik und Sport
15 (12)
2 Verkehrsphysik
15 (12)
3 Klimaphysik
20 (16) 70 (40)
Zeit für Leistungsfeststellung 10
80 (40)
Jahrgangsstufen 1 und 2 Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP) 36
4* Energieversorgung
15 (8)
5* Verkehr und Mobilität
15 (8)
6* Biophysik – Nervensystem
15 (8)
7* Medizin und Physik 1
15 (8)
8* Vermessung des Mikro- und Makrokosmos
15 (8)
9* Astrophysik – Kosmologie
15 (8)
10* Astrophysik – Sterne
15 (8)
11* Physik der Musikinstrumente
15 (8)
12* Biophysik – Sehen
15 (8)
13* Digitalisierung und Physik
15 (8)
14* Medizin und Physik 2
15 (8)
15* Materie und Teilchen
15 (8)
16* Physik in Alltag und Technik
15 (8) 126 (48)
Zeit für Leistungsfeststellung 18
144 (72**)
Die Zeitrichtwerte in Klammern geben den Anteil der Stunden in Gruppenteilung an.
* In den Jahrgangsstufen 1 und 2 sind sechs der BPE 4 – 16 zu unterrichten.
** Über die in den BPE 4 – 16 zugeordneten 48 Teilungsstunden hinaus können weitere 24 Teilungsstunden im Rahmen von Projekten im Labor eingesetzt werden.

Eingangsklasse

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

20

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Teilnahme an Wettbewerben
Organisation von Ausstellungen
Exkursionen in Betriebe
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 1

Physik und Sport

15 (12)

Die Schülerinnen und Schüler verbinden alltägliche Sachverhalte aus der Welt des Sports mit grundlegenden Lerninhalten der Physik. Sie erfassen komplexe sportliche Abläufe und entwickeln geeignete physikalische Modelle.

BPE 1.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und analysieren Bewegungen beim Sport und führen zu den Themenbereichen Kinematik und Dynamik physikalische Experimente durch. Sie beschreiben und deuten den Drehimpuls und dessen Erhaltung.

Geschwindigkeit, Beschleunigung, Kraft
Drehimpulserhaltung, Drehmoment
Experimente, z. B. Fahrbahn, Videoanalyse, Hebelgesetz, Saltos, Pirouetten

BPE 2

Verkehrsphysik

15 (12)

Die Schülerinnen und Schüler erkennen physikalische Gesetzmäßigkeiten im Verkehrsgeschehen und können dadurch sicherheitsrelevante Aspekte selbst beurteilen. Beim Analysieren verschiedener Vorgänge üben die Schülerinnen und Schüler den Umgang mit digitalen Messwerkzeugen. Dabei wenden sie physikalische Grundkonzepte aus der Mechanik an.

BPE 2.1

Die Schülerinnen und Schüler führen Simulationsexperimente zu Auffahrunfällen durch. Sie analysieren Aufnahmen zum Bremsweg von Fahrzeugen.
Die Schülerinnen und Schüler überprüfen den Luftwiderstand von verschiedenen geomtrischen Objekten.

Auffahrunfall, Mindestabstand, Bremsvorgänge im Straßenverkehr, Luftwiderstand
Experimente, z. B. Stoßversuche, Videoanalyse zu Bewegungsformen, Reibungsversuch, cw-Wert-Messung, Scheibenbremsen, ABS

BPE 3

Klimaphysik

20 (16)

Der Klimawandel ist eine globale Herausforderung. Die Schülerinnen und Schüler lernen die physikalischen Grundlagen der Klimaphysik kennen. Mithilfe einfacher physikalischer Gesetze soll verdeutlicht werden, welche prinzipielle Bedeutung der natürliche Treibhauseffekt für das Leben auf der Erde hat. Darüber hinaus soll den Schülerinnen und Schülern durch ein einfaches Klimamodell (Energie-Bilanz-Modell) verdeutlicht werden, wie sich eine Erhöhung der Treibhausgase in der Atmosphäre durch Verbrennung fossiler Brennstoffe auf das Klima der Erde auswirken kann.

BPE 3.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Verhalten von Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern bei Temperaturänderungen und erklären damit die Funktionsweise von Thermometern. Mithilfe des allgemeinen Gasgesetzes beschreiben die Schülerinnen und Schüler die Auswirkungen einer Temperaturänderung auf den Druck und das Volumen eines Gases.

Temperatur
Skalen nach Celsius, Fahrenheit und Kelvin
Volumenänderung bei Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen
nur qualitativ, Meeresspiegelanstieg bei Erwärmung
Allgemeines Gasgesetz
adiabatische Prozesse in der Natur – warme Seeluft und kalte Bergluft; das Wetterphänomen Föhn

BPE 3.2

Sie stellen den ersten Hauptsatz der Thermodynamik als Erweiterung des Energieerhaltungssatzes dar. Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die Wärme als Möglichkeit, die Energie offener Systeme zu verändern. Sie beschreiben die Auswirkungen thermischer Energiezufuhr oder -abnahme auch hinsichtlich der aktuellen Klimaproblematik.

Wärme
Erster Hauptsatz der Wärmelehre
Experimente, z. B. Wärmeäquivalent-Grundgerät
Aggregatszustandsänderungen
Energieübertragung

  • Wärmeleitung
  • Konvektion
  • Wärmestrahlung
Experimente, z. B. Messung der Solarkonstanten, Kontinentalklima und Seeklima
Wärmedämmung
Treibhauseffekt (auch anthropogen), Strahlungsgleichgewicht, Klimazonen, jahreszeitliche Temperaturschwankungen

Jahrgangsstufen 1 und 2

Vertiefung – Individualisiertes Lernen – Projektunterricht (VIP)

36

Vertiefung

Individualisiertes Lernen

Projektunterricht

z. B.
Übungen
Anwendungen
Wiederholungen
z. B.
Selbstorganisiertes Lernen
Lernvereinbarungen
Binnendifferenzierung
z. B.
Exkursionen zu Forschungseinrichtungen
Energiesparprojekt
Exkursion Sternwarte
Die Themenauswahl des Projektunterrichts hat aus den nachfolgenden Bildungsplaneinheiten unter Beachtung Fächer verbindender Aspekte zu erfolgen.

BPE 4*

Energieversorgung

15 (8)

Energie und Energieversorgung haben in der heutigen Gesellschaft eine zentrale Bedeutung, sowohl für den Lebensstandard des Einzelnen als auch für die moderne Industriegesellschaft. Die Schülerinnen und Schüler erwerben ein technisches und physikalisches Grundverständnis zur Energieversorgung.

BPE 4.1

Die Schülerinnen und Schüler benennen Grundbegriffe der Energieversorgung. Sie erklären den Aufbau und die Funktion veschiedener Kraftwerkstypen und erläutern Möglichkeiten der Energieübertragung und Energiespeicherung. Die Schülerinnen und Schüler erörtern lokale und globale Auswirkungen des gesellschaftlichen Energieverbrauchs.

Energieversorgung

  • Kraftwerke
  • Energieübertragung
  • Energiespeicherung
Experimente zur Energie- und Leistungsmessung mit Wirkungsgraden, Brennstoffzelle
Hochspannungsnetze,
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
Fossile und regenerative Energieträger
Energiedichte
Bestimmung von Energiegehalten verschiedener Energieträger
Gesellschaftliche, wirtschaftliche und ökologische Aspekte der Energieversorgung
Smart Grid

BPE 5*

Verkehr und Mobilität

15 (8)

Verkehr und Mobilität sind große Herausforderungen einer modernen Gesellschaft. Zunehmende Mobilität zwingt die Gesellschaften in den Bereichen Umweltverschmutzung, Lärmbelästigung, begrenzte Verfügbarkeit fossiler Energie und erhöhtes Sicherheitsbedürfnis nach neuen Lösungen zu suchen. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich mit diesen Technologien und den dahinter liegenden physikalischen Prinzipien auseinander und beurteilen unterschiedliche Lösungsansätze.

BPE 5.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die einzelnen zur Mobilität gehörenden Komponenten moderner Verkehrsmittel. Sie erklären und bewerten die Funktionsweise dieser Komponenten mithilfe physikalischer Prinzipien.

Sensoren
Abstandssensor, Regensensor, Beschleunigungssensor
Antriebe
Elektrische Antriebe, Wasserstofftechnologie
Energiespeicherung
Energierückgewinnung
Energietransport
Intelligente Netze zur Nutzung regenerativer Energien
Experimente: Fahrbahnversuche, Messprinzipien der Sensoren, Brennstoffzellen

BPE 6*

Biophysik – Nervensystem

15 (8)

Biophysik ist ein interdisziplinäres Wissenschaftsgebiet, welches die komplexen Vorgänge bei Lebensprozessen und Lebenserscheinungen betrachtet. Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung physikalischer Untersuchungsmethoden und Verfahren, die Aussagen über physikalische Eigenschaften der Aufnahme und Weiterleitung von Informationen im Nervensystem ermöglichen. Dabei wenden die Schülerinnen und Schüler Grundkonzepte aus der Elektrizitätslehre an.

BPE 6.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den grundlegenden Aufbau von Nervenzellen. Sie führen physikalische Experimente zu den grundlegenden elektrischen Eigenschaften im Nervensystem durch. Im Zusammenhang mit der Erregungsleitung im Nervensystem interpretieren die Schülerinnnen und Schüler Möglichkeiten zur Maximierung der Signalleitungsgeschwindigkeit.

Zelluläre Grundlagen von Nervenzellen

  • Zellmembran
  • Membranpotenzial
  • Ruhepotenzial, Aktionspotenzial
Experimente, z. B. Elektrostatikexperimente, Ohm'sches Gesetz, spezifischer Widerstand, Potenzialwanne
Amplituden- und Frequenzmodulation
Signalleitungsgeschwindigkeit

BPE 7*

Medizin und Physik 1

15 (8)

In der medizinischen Diagnostik und Therapie wird moderne Technik auf Grundlage physikalischer Konzepte und Methoden eingesetzt. Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung spezieller Untersuchungsmethoden und Verfahren, die Aussagen über strukturelle und bioelektrische Eigenschaften des Organismus ermöglichen. Bei bildgebenden und neuronalen Diagnoseverfahren wenden sie Grundkonzepte aus der Wellenlehre, Elektrizitätslehre und Atomphysik an.

BPE 7.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erläutern die physikalischen Wechselwirkungen von elektrischen und magnetischen Feldern mit biologischem Gewebe. Die Schülerinnen und Schüler vergleichen und beurteilen den Nutzen und die Gefahren.

Elektrische Felder in Diagnose und Therapie

  • EKG
  • EEG
  • Defribrillator
Experimente zu Elektrostatik, Ohm‘sches Gesetz, Dauermagnetismus, Elektromagnetismus, Hysterese
Magnetresonanz-Tomografie

  • Prinzip
  • Anwendung

BPE 8*

Vermessung des Mikro- und Makrokosmos

15 (8)

Im Mikro- und Makrokosmos sind besondere Messmethoden erforderlich. Die Schülerinnen und Schüler erfahren im makroskopischen Bereich die Größenordnungen für Entfernungen und Massen. Im Mikrokosmos vergleichen die Schülerinnen und Schüler Abmessungen und Massen von Atomen und Elementarteilchen.

BPE 8.1

Die Schülerinnen und Schüler vergleichen unterschiedliche Messtechniken für Entfernungen und Massen im Mikro- und Makrokosmos. Sie werten Messdaten aus und bestimmen bzw. berechnen daraus Größenordnungen der untersuchten Strukturen.

Entfernungen und Massen

  • im Sonnensystem
  • außerhalb des Sonnensystems
Geschichte des Messens, Lichtjahr, Parsec
Kepler'sche Gesetze, Triangulation, Fixsternparallaxe, Cepheiden-Methode, Rotverschiebung
Experimente: Bestimmung der Gravitationskonstanten, Triangulationsmessungen, Dopplereffekt
Abmessungen und Massen

  • Atome
  • Elementarteilchen
Experimente: Ölfleck-Experiment, e/m-Bestimmung, Massenspektrometer, kosmische Strahlung, Nebelkammer

BPE 9*

Astrophysik – Kosmologie

15 (8)

Der Aufbau und die Entstehung des Weltalls, der Welt außerhalb unserer gewohnten Alltagswelt, hat die Menschen stets zu Fragen veranlasst, die sich heute mit den Modellen der Physik beantworten lassen. Astronomische Fragen und Raumfahrtthemen bewegen viele Schülerinnen und Schüler. Die Grundprinzipien der Mechanik und Wärmelehre, aber auch der Wellenlehre und Quantenphysik lassen sich von Schülerinnen und Schülern zur Erklärung der Eigenschaften des Weltalls und seiner Objekte und sogar der Entwicklung des Weltalls verwenden.

BPE 9.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den hierarchischen Aufbau des Weltalls und strukturieren die Größenverhältnisse. Die Schülerinnen und Schüler begründen dabei astrophysikalische Sachverhalte anhand von Messergebnissen. Mithilfe empirischer Daten diskutieren sie die Entwicklung des Weltalls.

Überblick über astronomische Objekte

  • Größen
  • Entfernungen
  • Massen
Experimente, z. B. Strahlenoptik, optische Brechung, Beugung am Gitter, Triangulation, Spektralanalyse, Versuche mit Mikrowellen, Wärmestrahlung, akustischer Dopplereffekt, Gasgesetze
Ausdehnung des Kosmos

  • Kosmologische Rotverschiebung
  • Kosmische Hintergrundstrahlung

BPE 10*

Astrophysik – Sterne

15 (8)

Der Anblick des Sternenhimmels hat die Menschen stets zu Fragen veranlasst, die sich heute mit modernen Methoden der Physik beantworten lassen. Prinzipien und Gesetze aus der Mechanik und Wärmelehre, aber auch der Wellenlehre und Quantenphysik lassen sich von Schülerinnen und Schülern zur Erklärung der Eigenschaften und Entstehung von Sternen verwenden.

BPE 10.1

Die Schülerinnen und Schüler benennen die zentralen Eigenschaften von Sternen. Sie beschreiben die wesentlichen Entwicklungsphasen von Sternen. Die Schülerinnen und Schüler begründen dabei astrophysikalische Zusammenhänge anhand der Ergebnisse von Experimenten und anhand empirischer Daten.

Entfernungsbestimmung von Sternen
Experimente, z. B. Triangulation, akustischer Dopplereffekt, Strahlenoptik, Spektralanalyse, Beugung am Gitter, Dilatometer, Wärmekapazität, Wärmestrahlung
Zustandsgrößen von Sternen

  • Größe
  • Masse
  • Temperatur

Sternentwicklung, Hauptreihenstadium
Hertzsprung-Russell-Diagramm

BPE 11*

Physik der Musikinstrumente

15 (8)

Die Funktionsweise aller Musikinstrumente basiert auf physikalischen Prinzipien. Exemplarisch werden einige für die Schülerinnen und Schüler besonders interessante Musikinstrumente untersucht. Dabei verstehen sie die prinzipiellen Funktionsweisen und erkennen wesentliche Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Blas‑, Saiten- und Schlaginstrumenten.

BPE 11.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erläutern die Ton- und Klangentstehung unterschiedlicher Musikinstrumente. Sie bestimmen die jeweiligen Grund- und Oberschwingungen der Instrumente und überprüfen diese experimentell. Sie vergleichen Klangspektren verschiedener Musikinstrumente.

Tonentstehung
Klangentstehung
Stehende Welle, Grund- und Oberschwingungen
Singstimme
Klangspektren

  • Blasinstrumente
Orgelpfeifen, Blasinstrumente
Experiment: Kundt'sches Rohr
  • Saiteninstrumente
Streich- und Zupfinstrumente, Klavier
Experiment: Wellenmaschine, Monochord, Tonleiter des Pythagoras
  • Schlaginstrumente
Pauken, Trommel
Experiment: Chladnische Klangfiguren
Elektromagnetische Tonabnehmer
E-Gitarre, E-Geige
Experiment: Induktion, Schwingkreis

BPE 12*

Biophysik – Sehen

15 (8)

Biophysik ist ein interdisziplinäres Wissenschaftsgebiet der Biologie und der Physik, welches die komplexen Vorgänge bei Lebensprozessen und -erscheinungen betrachtet. Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung physikalischer Untersuchungsmethoden und Verfahren, die Aussagen über strukturelle und physikalische Eigenschaften durch Aufnahme von optischen Informationen ermöglichen. Dabei wenden die Schülerinnen und Schüler Grundkonzepte aus der Strahlen- und Wellenoptik an.

BPE 12.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den grundlegenden Aufbau des menschlichen Auges. Zu den grundlegenden Bedingungen der Strahlenoptik führen sie physikalische Experimente durch, sie deuten die Linsengleichung als Bedingung für scharfes Sehen. Die Schülerinnen und Schüler erklären das Farbensehen mithilfe der spektralen Empfindlichkeit des Auges.

Aufbau des menschlichen Auges
Experimente, z. B. optische Bank, Brechungsgesetz
Linsenfehler
Konstruktion von Strahlenverläufen

  • Linsengleichung
  • Akkommodation

Farbensehen, spektrale Empfindlichkeit
Experimente, z. B. additive und subtraktive Farbmischung, Spektralanalyse

BPE 13*

Digitalisierung und Physik

15 (8)

Die Digitalisierung ist eine besondere Herausforderung für moderne Gesellschaften. Der Umgang mit immer größeren Datenmengen beeinflusst zunehmend den Alltag. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich mit der Digitalisierung und den dahinter liegenden physikalischen Prinzipien auseinander und beurteilen die Risiken und Chancen der Digitalisierung.

BPE 13.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben die einzelnen Komponenten der Digitalisierung. Sie beschreiben das Funktionsprinzip einzelner Komponenten und bewerten die Vor- und Nachteile unterschiedlicher Technologien.

Datenerfassung
Sensoren, Messtechnik, digitale Messsysteme
Signalverarbeitung
Digitalisierung analoger Größen
Datentransport
Datentransport über Kabel, Glasfaser, Mobilfunk, Satellit
Datenübertragungsrate, Netzausbau, Signaldämpfung
Experimente mit elektromagnetischen Wellen
Datenspeicherung
unterschiedliche Speichermedien
Datenschutz

BPE 14*

Medizin und Physik 2

15 (8)

In der medizinischen Diagnostik und Therapie wird moderne Technik auf Grundlage physikalischer Konzepte und Methoden eingesetzt. Die Schülerinnen und Schüler erkennen die Bedeutung spezieller Untersuchungsmethoden und Verfahren, die Aussagen über strukturelle Eigenschaften des Organismus ermöglichen. Bei bildgebenden Diagnoseverfahren wenden sie Grundkonzepte aus der Wellenlehre, Atom- und Kernphysik an.

BPE 14.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben und erläutern die physikalischen Wechselwirkungen von ionisierender Strahlung und Schall mit biologischem Gewebe. Sie vergleichen und beurteilen den Nutzen und die Gefahren der Methoden beim Einsatz in Diagnostik und Therapie.

Sonografie
Experimente mit Ultraschall: Ausbreitung, Absorption, Reflexion
  • Prinzipien
  • Anwendungen

Ionisierende Strahlung in Diagnose und Therapie
Röntgenröhre, Computertomografie, Szintigrafie, Radionuklide
Experimente zur natürlichen Radioaktivität

BPE 15*

Materie und Teilchen

15 (8)

Die moderne Teilchenphysik analysiert den Aufbau der Materie und erweitert damit das Weltbild der Schülerinnen und Schüler. Die grundlegenden Kenntnisse der Quantenphysik werden überprüft und durch Streuexperimente erweitert. Die Schülerinnen und Schüler erhalten über das Standardmodell Einblicke in die Grundlagenforschung der Teilchenphysik. Der Besuch eines Kernforschungsinstituts dient den Veranschaulichungen.

BPE 15.1

Die Schülerinnen und Schüler wenden die Ergebnisse der Experimente zur Analyse von Stoffen an und interpretieren diese. Durch die Bestimmung der Anregungsenergien und der zugehörigen Hauptquantenzahlen benennen die Schülerinnen und Schüler Ordnungsprinzipien im Periodensystem der Elemente. Sie ermitteln die Netzebenenabstände von Kristallen.

Bestimmung von Anregungsenergien z. B. durch Spektralanalyse
Experimente, z. B. Franck-Hertz-Versuch
Gasentladungsröhren H, Ne, Hg, Xe, usw.
Kristalluntersuchungen, Bestimmung von Netzebenenabständen
Bragg-Reflexion,
Doppelbrechung
Standardmodell
Besuch eines Kernforschungsinstituts, Elementarteilchenphysik

BPE 16*

Physik in Alltag und Technik

15 (8)

Physikalische Prinzipien finden Anwendung in allen uns umgebenden technischen Gerätschaften. Exemplarisch werden einige für die Schülerinnen und Schüler besonders interessante, technische Geräte untersucht und sie verstehen deren prinzipiellen Funktionsweisen.

BPE 16.1

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben das Funktionsprinzip technischer Geräte aus ihrem Alltag. Sie erläutern die zugrundeliegenden physikalischen Sachverhalte. Durch Vergleich mit Geräten, welche auf anderen physikalischen Prinzipien beruhen, bewerten die Schülerinnen und Schüler die Alltagsgegenstände.

Physikalische Prinzipien in Geräten des Alltags

Mikrophon, Lautsprecher
Mikrowellenherd, Induktionsherd, Kochplatte
Achterbahn, Karussell
Navigationsgeräte, GPS
Bildschirme, Touchscreens

Fußleiste