Aufbau
Lernbereiche nach Jahrgangsstufe
Jahrgangsstufe 84 Lernbereiche
- Elektrischer Strom
- Optik
- Mechanik
- Profilbereich am NTG
Jahrgangsstufe 94 Lernbereiche
- Energie als Erhaltungsgröße
- Atome
- Wärmelehre
- Profilbereich am NTG
Jahrgangsstufe 105 Lernbereiche
- Elektromagnetismus
- Impulserhaltung in der Mechanik
- Bewegungen und ihre Modellierung in der Physik
- Kernphysik
- Profilbereich am NTG
Jahrgangsstufe 114 Lernbereiche
- Kreisbewegung
- Schwingungen und Wellen
- Eigenverantwortliche Arbeit an physikalischen Themen
- Profilbereich am NTG
Jahrgangsstufe 124 Lernbereiche
- Das Auge
- Das Ohr
- Strahlenbiophysik und medizintechnische Anwendungen
- Neuronale Signalleitung
Jahrgangsstufe 123 Lernbereiche
- Statische elektrische und magnetische Felder
- Elektromagnetische Induktion und Schwingungen
- Elektromagnetische Wellen
Jahrgangsstufe 124 Lernbereiche
- Statische elektrische und magnetische Felder
- Elektromagnetische Induktion und Schwingungen
- Elektromagnetische Wellen
- Experimentelles Arbeiten
Jahrgangsstufe 135 Lernbereiche
- Orientierung am Himmel
- Das Sonnensystem
- Die Sonne
- Sterne
- Großstrukturen im Weltall
Jahrgangsstufe 135 Lernbereiche
- Grundideen der Quantenphysik
- Ein Atommodell der Quantenphysik
- Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie
- Kernphysik
- Experimentelles Arbeiten
Jahrgangsstufe 134 Lernbereiche
- Grundideen der Quantenphysik
- Ein Atommodell der Quantenphysik
- Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie
- Kernphysik
Kompetenzen im Detail
Was Schüler:innen können sollen
Jahrgangsstufe 8
Elektrischer Strom
6 Kompetenzen
- 1nutzen ein anschauliches Modell zum elektrischen Stromkreis, um die elektrischen Grundgrößen Stromstärke, Spannung und Widerstand zu veranschaulichen und Zusammenhänge zwischen diesen Größen zu erläutern. Dabei grenzen sie alltagssprachliche Formulierungen von fachsprachlich korrekten ab. An ausgewählten Stellen erläutern sie Grenzen des verwendeten Modells.
- 2entwerfen unter Anleitung einen Versuchsaufbau zur Aufnahme von Kennlinien. Sie führen ihre Messungen unter angeleiteter Verwendung von Stromstärke- und Spannungsmessgeräten durch und fertigen mit Hilfe ein strukturiertes Versuchsprotokoll an. Sie sind sich wesentlicher Gefahren des elektrischen Stroms bewusst und berücksichtigen Sicherheitsvorkehrungen beim Experimentieren.
- 3wenden die Definitionsgleichung des elektrischen Widerstands an, um Berechnungen in einem einfachen elektrischen Stromkreis durchzuführen. Hierbei gehen sie sicher mit den Einheiten der elektrischen Grundgrößen um und berücksichtigen die Genauigkeit experimentell ermittelter Werte.
- 4recherchieren in vorgegebenen Quellen, z. B. im Internet, wie Schaltkreise im Haushalt, insbesondere aufgrund von Sicherheitsaspekten, aufgebaut sind. Sie stellen ihre Rechercheergebnisse unter Anleitung in Form von Schaltbildern und fachsprachlich korrekten Texten dar.
- 5planen selbständig die experimentelle Untersuchung von Stromstärken und Spannungen in Reihen- und Parallelschaltungen. Sie führen diese Untersuchung – mit Hilfe bei der Verwendung von Stromstärke- und Spannungsmessgeräten – selbständig durch und erstellen selbständig ein strukturiertes Versuchsprotokoll.
- 6erläutern unter Verwendung des eingeführten Modells zum elektrischen Stromkreis und geeigneter Rechnungen Beobachtungen zu Stromstärken und Spannungen in elektrischen Schaltungen mit maximal drei Widerständen.
Optik
7 Kompetenzen
- 1formulieren auf der Grundlage von Alltagserfahrungen, einfachen Experimenten und physikalischen Vorkenntnissen eigene Vermutungen und Erklärungsansätze zu optischen Phänomenen (z. B. Spiegelbilder, Brechung).
- 2verwenden ein einfaches Modell der Lichtausbreitung und des Reflexionsgesetzes, um am Beispiel des Spiegels eine physikalisch strukturierte Erklärung der Entstehung von Bildern nachzuvollziehen.
- 3planen unter Anleitung ein Experiment zur Untersuchung der Abbildung durch eine Sammellinse, das sie selbständig durchführen und dokumentieren. Sie formulieren auf der Grundlage ihrer Beobachtungen und Messergebnisse halbquantitative Aussagen über Zusammenhänge zwischen den dabei relevanten Größen.
- 4analysieren mithilfe einer geeigneten Simulationssoftware die Lichtausbreitung an einer Sammellinse und übertragen unter Verwendung halbquantitativer Aussagen zum Brechungsgesetz die Struktur physikalischer Argumentationsweisen auf eigene Erklärungen zur Entstehung virtueller und reeller Bilder bei einer Sammellinse. Sie veranschaulichen ihre Erklärungen mithilfe selbst angefertigter Zeichnungen.
- 5benennen Risiken bei Experimenten in der Optik und beim Umgang mit Lichtquellen und optischen Geräten im Alltag (z. B. bei der Verwendung von Sammellinsen und bei der Handhabung von Laserpointern) und reflektieren vorgegebene Sicherheitshinweise.
- 6vergleichen Rechercheergebnisse im Internet mit einem vorgegebenen, passgenauen Sachtext, z. B. zur Bildentstehung beim Auge. Sie erstellen fachsprachlich korrekte Zusammenfassungen dieser Quellen und fertigen aussagekräftige Zeichnungen sorgfältig an bzw. nutzen digitale Medien zur Veranschaulichung.
- 7beschreiben auf der Grundlage physikalischer Kenntnisse technische Anwendungen der Totalreflexion und erläutern die Bedeutung dieser Technologien z. B. in der Medizin oder in der Nachrichtentechnik.
Mechanik
12 Kompetenzen
- 1wenden die Definitionsgleichung der Geschwindigkeit an, um Geschwindigkeiten abzuschätzen, im Rahmen von experimentellen Untersuchungen zu bestimmen und einfache Berechnungen durchzuführen. Hierbei gehen sie sicher mit Einheiten und der Genauigkeit von Messwerten um.
- 2unterscheiden zwischen Masse und Gewichtskraft und untersuchen insbesondere auch alltagssprachliche Formulierungen.
- 3kennzeichnen in Stroboskopdarstellungen oder mithilfe geeigneter Software in Videos von zweidimensionalen Bewegungen die Geschwindigkeit eines Körpers, indem sie Pfeile als fachtypische Darstellungsform verwenden.
- 4analysieren alltägliche Bewegungen unter dem Einfluss mehrerer Kräfte und übertragen ihre Kenntnisse zur Addition von Geschwindigkeitspfeilen auf die Addition von Kräften. Am Beispiel der schiefen Ebene führen sie mit der Zerlegung einer Kraft in Komponenten vorgegebener Richtungen auch die Umkehrung dieser Operation durch.
- 5bestimmen zeichnerisch die Geschwindigkeitsänderung und die Geschwindigkeit vor bzw. nach einer Krafteinwirkung für das betreffende Zeitintervall.
- 6argumentieren in alltagsrelevanten Kontexten mit dem Trägheitsgesetz und dem Kräftegleichgewicht. Sie verfassen, unterstützt durch selbst angefertigte aussagekräftige Skizzen, kurze Texte mit physikalisch schlüssigen Argumentationen. Sie nutzen das Kräftegleichgewicht zur statischen Kraftmessung.
- 7analysieren Geschwindigkeitsänderungen von Bewegungen: Sie beschreiben maßgebliche Größenabhängigkeiten mithilfe von Je-desto-Aussagen, machen das zweite Newton’sche Gesetz in der Form F ⋅ Δt = m ⋅ Δv plausibel und nutzen diese Gleichung zur Definition der physikalischen Größe Kraft. Sie argumentieren mit den jeweils relevanten Größenabhängigkeiten in alltagsrelevanten Kontexten, insbesondere aus dem Straßenverkehr oder aus dem Sport, auch um die Beträge von Kräften abzuschätzen und Risiken zu beurteilen.
- 8identifizieren in einer vorgegebenen Bewertung zu einer einfachen kontextbezogenen Problemstellung aus der Mechanik physikalische und außerfachliche Argumente und analysieren die argumentative Struktur der Bewertung. Im Zusammenhang mit vorgegebenen Gefahrensituationen im Straßenverkehr erklären sie auf der Grundlage des Trägheitssatzes und des zweiten Newton’schen Gesetzes die Bedeutung wichtiger Sicherheitssysteme im Auto.
- 9stellen Alltagsvorstellungen zu Bewegungen und ihren Ursachen deren physikalische Beschreibung gegenüber und vollziehen in diesem Zusammenhang einen wesentlichen Erkenntnisfortschritt durch die physikalische Sicht auf die Natur nach.
- 10nutzen im Spezialfall eindimensionaler Bewegungen das zweite Newton‘sche Gesetz und die Beschleunigung für Argumentationen und einfache Berechnungen.
- 11planen unter Anleitung einen geeigneten Versuch, um einen Zusammenhang zwischen Kraft und Verformung dehnbarer Körper zu untersuchen, führen diesen selbständig durch und protokollieren ihn selbständig. Sie verwenden ein Tabellenkalkulationsprogramm, um die Messwerte, auch unter Verwendung von Ausgleichsgeraden, graphisch auszuwerten, und identifizieren dabei den Hooke’schen Bereich.
- 12planen unter Anleitung ein Experiment zur Bestimmung der Beschleunigungen von Körpern aus gemessenen Geschwindigkeitsänderungen, beispielsweise mithilfe von Sensoren oder einer Videoanalyse, das sie mit Hilfe durchführen und auswerten.
Profilbereich am NTG
8 Kompetenzen
- 1messen selbständig Stromstärken und Spannungen in Reihen- und Parallelschaltungen von Solarmodulen, variieren äußere Einflussgrößen (z. B. Neigungswinkel, Beschattung) und ziehen Schlussfolgerungen für eine optimale Nutzung von Solarmodulen, die sie beispielsweise in Form einer Betriebsanleitung formulieren. Sie testen die Verwendbarkeit von Solarmodulen in unterschiedlichen technischen Anwendungen.
- 2führen weitgehend selbständig Experimente zur Beobachtung von Phänomenen sowie zur Beantwortung vorgegebener Fragestellungen durch. Sie werten experimentelle Daten unter Verwendung vorgegebener Darstellungsformen weitgehend selbständig aus, auch unter Verwendung geeigneter digitaler Hilfsmittel.
- 3untersuchen experimentell Aufbau und Eigenschaften weiterer Elektrizitätsquellen (z. B. Modellversuch zum galvanischen Element, Untersuchung der Ausgangsspannungen unterschiedlicher Netzgeräte, Innenwiderstand und Klemmenspannung einer Batterie und einer Solarzelle) und interpretieren ausgewählte Beobachtungen mithilfe ihrer theoretischen Kenntnisse zum elektrischen Stromkreis.
- 4interpretieren Beobachtungen und Daten im Rahmen der Auswertung mit fachsprachlich korrekten Formulierungen oder einfachen Formen der Mathematisierung, ggf. unter Verwendung ihnen bereits bekannter Konzepte oder Modelle. Sie beschreiben die experimentelle Arbeitsweise in den wesentlichen Teilschritten.
- 5entnehmen selbständig Informationen aus angemessenen Quellen und führen dabei auch Informationen aus mehreren Quellen, auch solchen im Internet, zusammen.
- 6dokumentieren weitgehend selbständig experimentelle Untersuchungen sowie durch die Arbeit mit Modellen gewonnene Ergebnisse. Hierbei berücksichtigen sie Vorgaben zur Art und Struktur der Dokumentation und setzen vorgegebene fachtypische Darstellungsformen sachgerecht ein (z. B. Pfeile, Diagramme).
- 7präsentieren Arbeitsergebnisse sachgerecht in mündlichen Beiträgen, Kurzreferaten oder anhand von Dokumentationen und verwenden hierbei bewusst wichtige Fachbegriffe des jeweiligen Themengebiets. Sie übertragen gebräuchliche alltagssprachliche Formulierungen in fachsprachliche Aussagen.
- 8untersuchen die Struktur von Bewertungen zu einfach strukturierten Problemstellungen auf der Grundlage bereits erworbener Fachkenntnisse sowie weitgehend selbständig gewonnener Arbeitsergebnisse (z. B. durch Textarbeit oder Recherche). Sie formulieren zu solchen Kontexten auch eigene kurze Bewertungen. Sie reflektieren, dass sich Bewertungen aufgrund der Auswahl und der Gewichtung von Kriterien unterscheiden können.
Jahrgangsstufe 9
Energie als Erhaltungsgröße
9 Kompetenzen
- 1beschreiben qualitativ Vorgänge in Technik und Natur mithilfe der Umwandlung von Energieformen, insbesondere der kinetischen Energie, der Höhenenergie und der Spannenergie. Dazu entnehmen sie Informationen aus unterschiedlichen Quellen (z. B. Texten, Bilderfolgen, Videoclips) und verwenden fachsprachlich korrekte Formulierungen sowie verschiedene Darstellungsformen.
- 2beschreiben elektrische Ladungen als Vielfache der Elementarladung und nutzen mechanische Analogien, um den Zusammenhang zwischen Stromstärke und Ladung zu präzisieren.
- 3nutzen das Prinzip der Energieerhaltung, um bei Energieumwandlungen mechanische Energieformen quantitativ zu bilanzieren und Größen zu berechnen.
- 4veranschaulichen ausgehend von ihren Kenntnissen zur potentiellen Energie in der Mechanik und einem Modell des elektrischen Stromkreises die elektrische Potentialdifferenz und schließen mithilfe des Energiekonzepts auf die an einem elektrischen Bauteil umgesetzte Energie. Sie nutzen das Modell auch zur Ausschärfung der Analyse von Stromstärken und Spannungen in elektrischen Schaltungen mit maximal drei Widerständen.
- 5beziehen die Prozessgröße Arbeit bei der Anwendung des Prinzips der Energieerhaltung ein. Sie beschreiben mit den Größen Energie und Arbeit mechanische Vorgänge in alltagsrelevanten Kontexten und führen mit ihnen einfache Berechnungen durch.
- 6erstellen selbständig die Leistungsbilanz zu einer vorgegebenen Schaltung mit mehreren Widerständen. Dazu identifizieren sie benötigte Größen und setzen Stromstärke- und Spannungsmessgeräte sachgerecht zur selbständigen Messung dieser Größen ein.
- 7unterscheiden deutlich zwischen den Größen Kraft, Energie, Arbeit und Leistung, indem sie Zusammenhänge zwischen diesen Größen und ihren Einheiten herstellen sowie fachsprachlich korrekte Formulierungen verwenden, die sie von alltagssprachlichen bewusst trennen.
- 8vergleichen an einem elektrischen Gerät aus ihrem Erfahrungsbereich die aufgenommene elektrische Leistung mit der genutzten und schließen damit auf den Wirkungsgrad der Energieumwandlungen. Sie formulieren mit Hilfestellung eine adressatengerechte Bewertung der Umweltverträglichkeit des Geräts und reflektieren, dass sich Bewertungen aufgrund der Auswahl und Gewichtung von Aspekten unterscheiden können.
- 9planen unter Anleitung ein Experiment zur Bestimmung der Leistung des menschlichen Körpers oder technischer Geräte. Sie führen es selbständig durch und halten ihre Ergebnisse eigenständig in einem strukturierten Versuchsprotokoll fest. Dabei berücksichtigen sie relevante Sicherheitsbestimmungen.
Atome
3 Kompetenzen
- 1verwenden das Photonenmodell, um experimentelle Beobachtungen, z. B. zur Fluoreszenzanregung durch unterschiedliche Lichtquellen, plausibel zu machen. Sie beurteilen die von Photonen unterschiedlicher Spektralbereiche ausgehenden Risiken.
- 2erklären Emissions- und Absorptionsspektren auf der Grundlage des Energiestufenmodells des Atoms sowie des Photonenmodells des Lichts und führen einfache Berechnungen mit Energiewerten durch.
- 3interpretieren ein Diagramm zum Absorptionsverhalten der Erdatmosphäre als Überlagerung von Absorptionsdiagrammen verschiedener Gase.
Wärmelehre
12 Kompetenzen
- 1identifizieren im Rahmen des Teilchenmodells die mittlere kinetische Energie der Teilchen als Maß für die Temperatur und begründen damit die absolute Temperaturskala.
- 2formulieren Hypothesen zur Abhängigkeit der Temperaturerhöhung einer Flüssigkeit oder eines festen Körpers von verschiedenen Größen und planen weitgehend selbständig ein Experiment zu deren Überprüfung. Sie führen den Versuch selbständig durch und halten ihre Ergebnisse in einem strukturierten Versuchsprotokoll fest.
- 3übertragen unter Verwendung dynamischer Visualisierungen ihre Kenntnisse über mechanische Energieformen auf das Teilchenmodell und deuten damit die innere Energie.
- 4beziehen die Prozessgröße Wärme bei der Anwendung des Prinzips der Energieerhaltung ein und grenzen diese von der Größe Arbeit anhand von Beispielen ab. Sie verwenden den Begriff Wärme in fachsprachlich korrekten Formulierungen, die sie von alltagssprachlichen bewusst trennen.
- 5interpretieren die Änderung des Aggregatzustandes, insbesondere von Wasser, als Aufnahme bzw. Abgabe von potentieller Energie. Hierbei unterscheiden sie bewusst zwischen Modell- und Realitätsebene.
- 6beschreiben anhand ausgewählter Beispiele Ursachen und Prozesse des thermischen Energietransports: Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung. Sie nutzen diese Kenntnisse, um in physikalisch schlüssigen Argumentationen die Vorgänge zu erklären, die zur Erwärmung der Erdatmosphäre führen.
- 7veranschaulichen den Druck im Rahmen des Teilchenmodells und nutzen ihn neben Temperatur und Volumen, um den Zustand eines Gases zu beschreiben.
- 8führen ein vorgegebenes Experiment zum Treibhauseffekt selbständig durch, dokumentieren ihre Beobachtungen bei der Variation von Parametern und ziehen aus diesen Beobachtungen Schlussfolgerungen über das physikalische System Erdatmosphäre.
- 9stellen graphisch Energieflüsse in der Erdatmosphäre dar und erkennen daran den Einfluss von Treibhausgasen auf die Temperatur der Erdoberfläche im Strahlungsgleichgewicht. Dazu nutzen sie auch geeignete Simulationssoftware.
- 10erklären in Kontexten aus Technik und Natur Druckänderungen eines Gases mithilfe halbquantitativer Aussagen über die Abhängigkeit des Drucks von Temperatur und Volumen. Sie identifizieren Bereiche höheren und niedrigeren Drucks und erkennen Druckunterschiede als Ursache für Teilchenströme.
- 11entnehmen einer fachwissenschaftlichen Quelle Informationen zu Ursprung und Konsequenzen anthropogener Einflüsse auf das Klima der Erde und analysieren die physikalisch schlüssige Argumentationsweise in dieser Quelle.
- 12stellen Maßnahmen zur Einhaltung aktueller Klimaschutzziele auf persönlicher und gesellschaftlicher Ebene zusammen und diskutieren ihre Relevanz.
Profilbereich am NTG
5 Kompetenzen
- 1entnehmen mehreren vorgegebenen Quellen unterschiedlicher Niveaus Informationen zu weiteren relevanten physikalischen Aspekten des Klimasystems und identifizieren dabei die Beiträge der Physik zum Erkenntnisfortschritt in diesem Themenbereich. Sie fassen diese Informationen zusammen und bereiten sie für eine Präsentation adressatenbezogen auf, an geeigneten Stellen (z. B. Energieaufnahme durch die Ozeane) verbunden mit Abschätzungen aufgrund einfacher Modellrechnungen.
- 2dokumentieren selbständig experimentelle Untersuchungen sowie durch andere fachtypische Arbeitsweisen (z. B. Auswertung vorgegebener oder recherchierter Quellen) gewonnene Ergebnisse, ggf. unter Verwendung angemessener Formen der Mathematisierung. Hierbei legen sie die Struktur der Dokumentation nach fachlichen Gesichtspunkten selbständig fest und setzen vorgegebene Darstellungsformen sach- und adressatengerecht ein.
- 3recherchieren im Internet alternative Erklärungsansätze für die beobachtbare Erderwärmung. Sie setzen sich mit deren Argumenten auf der Basis physikalischer Erkenntnisse auseinander und erörtern die Interessenlagen der Autoren. Sie bewerten Quellen im Internet im Hinblick auf Stimmigkeit und Korrektheit der Argumentation. Sie sind sich der Bedeutung der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise für die Objektivierung der Klimadebatte bewusst.
- 4präsentieren Arbeitsergebnisse sach- und adressatengerecht in mündlichen Beiträgen, Referaten oder anhand von Dokumentationen und tauschen sich in geführten Diskussionen über Arbeitsergebnisse konstruktiv aus. Hierbei verwenden sie fachsprachlich korrekte Formulierungen.
- 5nehmen bei mündlichem und schriftlichem Meinungsaustausch einen begründeten Standpunkt ein. Sie wägen Nutzen und Risiken technischer Anwendungen für Mensch und Umwelt nach selbständig ausgewählten Kriterien ab. Hierbei beziehen sie bereits erworbene Fachkenntnisse sowie selbständig gewonnene Arbeitsergebnisse mit ein.
Jahrgangsstufe 10
Elektromagnetismus
6 Kompetenzen
- 1beschreiben exemplarisch am magnetischen Feld die grundlegenden Eigenschaften eines Feldes. Sie visualisieren mithilfe von Feldlinien die magnetischen Felder von Permanentmagneten, einer stromdurchflossenen Spule und der Erde. Dazu nutzen sie auch geeignete Software. Sie wenden die Rechte‑Faust-Regel und die Drei‑Finger-Regel zur Bestimmung von Strom-, Magnetfeld- und Kraftrichtung an.
- 2erklären die Funktionsweise eines selbständig gebauten einfachen Elektromotors und untersuchen Möglichkeiten, seinen Lauf zu variieren.
- 3planen selbständig verschiedene Experimente zur Erzeugung von Induktionsspannungen. Sie führen diese selbständig durch, erstellen ein strukturiertes Versuchsprotokoll und formulieren als Ergebnis Je-desto-Aussagen über die Abhängigkeit der Induktionsspannung von verschiedenen Größen.
- 4wenden geeignete Regeln und Konzepte an, um grundlegende Induktionsphänomene und beim Generator experimentelle Beobachtungen zu erklären. Hierbei entwickeln sie fachsprachlich korrekte Argumentationsketten und verfassen kurze erläuternde Texte.
- 5erklären Aufbau und Funktionsprinzip eines Transformators auf der Grundlage ihrer Kenntnisse zur Induktion. Sie führen Berechnungen zum idealen Transformator durch und begründen mithilfe des Energiekonzepts die gegenläufige Übersetzung von Spannung und Stromstärke.
- 6reflektieren die Auswirkungen technischer Anwendungen des Elektromagnetismus wie Elektromotor, Generator und Transformator auf die gesellschaftliche Entwicklung am Ende des 19. Jahrhunderts. Sie diskutieren an diesem Beispiel die Wechselwirkung von technologischem Fortschritt und sozialem Wandel und ziehen Parallelen zur Gegenwart.
Impulserhaltung in der Mechanik
3 Kompetenzen
- 1schließen aus der Betrachtung zweidimensionaler Bewegungen auf die Erhaltung des Impulses und grenzen ihn gegen den Energieerhaltungssatz ab.
- 2führen quantitative Betrachtungen einfacher Stoßvorgänge mithilfe des Impulserhaltungssatzes durch, greifen dabei auch auf den Energieerhaltungssatz zurück und erkennen allgemein in Erhaltungssätzen ein grundlegendes Konzept der Physik.
- 3stellen einen Zusammenhang zwischen der Impulserhaltung und dem Wechselwirkungsgesetz her. Sie erklären in alltagsrelevanten Kontexten, dass Kräfte gemäß dem Wechselwirkungsgesetz stets paarweise auftreten, und unterscheiden ein solches Kräftepaar deutlich von einem Kräftepaar im Gleichgewicht.
Bewegungen und ihre Modellierung in der Physik
5 Kompetenzen
- 1erstellen und interpretieren Zeit-Ort- und Zeit-Geschwindigkeit-Diagramme von Bewegungen in alltagsrelevanten Kontexten und stellen Beziehungen zwischen den Diagrammen und linearen bzw. quadratischen Bewegungsfunktionen her. Dabei nutzen sie geeignete digitale Hilfsmittel, mit denen sie die Daten erfassen, verarbeiten und sachgerecht darstellen.
- 2stellen Hypothesen über Größenabhängigkeiten beim waagrechten Wurf auf und planen auf dieser Grundlage passende Experimente. Sie führen diese selbständig durch und schließen auf die komponentenweise Beschreibung des waagrechten Wurfs.
- 3analysieren die Geschwindigkeitsänderungen beim waagrechten Wurf mithilfe einer geeigneten Darstellung und nutzen die Koordinatenschreibweise für zweidimensionale Bewegungen. Sie vergleichen experimentell festgestellte Werte mit den berechneten, reflektieren über etwaige Unterschiede und begründen diese.
- 4wenden zur quantitativen Beschreibung von Bewegungen aus ihrer Erfahrungswelt selbständig ausgewählte Darstellungsformen und zentrale physikalische Konzepte an, wie z. B. die Bewegungsfunktionen der Newton’schen Mechanik oder die Erhaltungssätze.
- 5bewerten auf der Grundlage abgeschätzter und berechneter Werte auch kritische Situationen im Straßenverkehr, diskutieren hierfür mögliche Sicherheitsvorkehrungen und reflektieren ihr eigenes Verhalten auch im Hinblick auf mögliche technische Hilfen.
Kernphysik
6 Kompetenzen
- 1recherchieren selbständig in unterschiedlichen Quellen zu Themen der Kernphysik (z. B. Entdeckung und Nachweis der Radioaktivität, Eigenschaften der Strahlungsarten, Quarks) und ordnen die gesichteten Quellen in Bezug auf die vorgegebene Aufgabenstellung nach dem Grad ihrer Verwendbarkeit. -
- 2stellen Zerfallsgleichungen zu α- und β ‑Zerfällen auf, deuten die γ‑Strahlung als eine vom Kern abgegebene Strahlung aus energiereichen Photonen und führen die Umwandlungen der Kerne auf den Aufbau der Nukleonen aus Quarks zurück.
- 3erklären mithilfe der Äquivalenz von Masse und Energie die Energiefreisetzung exemplarisch beim α‑Zerfall sowie bei einer einfachen Kernreaktion und erläutern die prinzipielle Funktionsweise eines Kernreaktors.
- 4bestimmen graphisch aus Zerfallskurven oder mittels Berechnungen die Halbwertszeit radioaktiver Isotope und nutzen sie zur Identifizierung von Isotopen sowie zur Beantwortung anwendungsbezogener Fragestellungen.
- 5kategorisieren Argumente in wertenden Kommentaren zu kernphysikalischen Themen in unterschiedlichen Medien (z. B. Zeitungen, Foren, Werbeflyer, Filmen) oder in Diskussionen und prüfen sie auf ihre fachliche Korrektheit. Sie reflektieren über die Interessenlage der Urheber und verfassen eine Stellungnahme.
- 6formulieren auf der Grundlage ihrer Kenntnisse eine eigene Bewertung zu einem Thema aus dem Bereich Radioaktivität (z. B. medizinische Anwendung und biologische Strahlenwirkung) und beziehen außerfachliche Aspekte mit ein.
Profilbereich am NTG
6 Kompetenzen
- 1untersuchen selbständig experimentell grundlegende Eigenschaften von Diode und Transistor; insbesondere interpretieren sie die aufgenommene Kennlinie einer Diode. Für eine vorgegebene Anwendung bauen sie eine einfache elektrische Schaltung aus Halbleiterbauelementen und untersuchen diese selbständig.
- 2entwickeln physikalische Fragestellungen anknüpfend an ihnen bekannte Alltagssituationen. Um diese zu beantworten, verwenden sie experimentelle Methoden oder andere fachtypische Arbeitsweisen (z. B. Computermodellierung, Mathematisierung); ggf. setzen sie hierbei den Computer als Hilfsmittel zur Erfassung und Verarbeitung von Messwerten ein. Sie vergleichen experimentelle Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen, erklären Abweichungen und reflektieren Möglichkeiten, die experimentelle Untersuchung zu optimieren.
- 3nutzen einfache Modelle, um grundlegende Eigenschaften von Halbleitern, Diode und Transistor zu erklären.
- 4dokumentieren selbständig experimentelle Untersuchungen sowie durch andere fachtypische Arbeitsweisen (z. B. Computermodellierung, Mathematisierung, Quellenarbeit oder Diskussion) gewonnene Ergebnisse. Hierbei legen sie Art und Struktur der Dokumentation nach fachlichen Gesichtspunkten selbständig fest; insbesondere wählen sie die Darstellungsformen sach- und adressatengerecht aus.
- 5präsentieren Arbeitsergebnisse sach- und adressatengerecht in mündlichen Beiträgen, Referaten oder anhand von Dokumentationen, tauschen sich in Diskussionen über Arbeitsergebnisse aus und reflektieren hierbei den eigenen Erkenntnisweg. Sie verwenden fachsprachlich korrekte Formulierungen.
- 6reflektieren Möglichkeiten und Grenzen der physikalischen Erkenntnisgewinnung (z. B. experimentelle Methoden, Mathematisierung, Computermodellierung), Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen sowie Deutungen physikalischer Theorien. Hierbei beziehen sie bereits erworbene Fachkenntnisse sowie selbständig gewonnene Arbeitsergebnisse ein.
Jahrgangsstufe 11
Kreisbewegung
4 Kompetenzen
- 1übertragen durch Analogiebetrachtungen Größen zur Beschreibung geradliniger Bewegungen auf die Kreisbewegung. Sie erklären das Zustandekommen von Kreisbewegungen und grenzen die Zentripetalkraft von der Zentrifugalkraft ab.
- 2formulieren ausgehend von Alltagserfahrungen und physikalischen Vorkenntnissen Hypothesen zur Abhängigkeit der Zentripetalkraft von verschiedenen Größen. Sie leiten mithilfe geometrischer Überlegungen zur Kreisbewegung einen Term für die Berechnung der Zentripetalkraft her. Zur Überprüfung dieses Ausdrucks planen sie selbständig geeignete Experimente, führen sie vorzugsweise unter Zuhilfenahme von elektronischen Sensoren durch und werten die erhaltenen Daten selbständig aus. Sie reflektieren den Erkenntnisweg, insbesondere die Relevanz des Experiments für das Überprüfen von Hypothesen, sowie das grundlegende Funktionsprinzip des verwendeten Sensors und die Genauigkeit der Ergebnisse.
- 3führen quantitative Betrachtungen zu Kreisbewegungen in Alltag und Technik durch, wobei sie jeweils die Kraft identifizieren, die als Zentripetalkraft wirkt. Auf der Grundlage recherchierter, abgeschätzter und berechneter Werte bewerten sie u. a. kritische Situationen im Straßenverkehr und diskutieren mögliche Sicherheitsvorkehrungen. Sie stellen ihre Ergebnisse in Form einer adressatenbezogenen Stellungnahme dar.
- 4modellieren mithilfe des Gravitationsgesetzes die Bewegung von Himmelskörpern und Satelliten als Kreisbewegung.
Schwingungen und Wellen
6 Kompetenzen
- 1beschreiben und interpretieren Diagramme zu verschiedenen schwingungsfähigen Systemen, u. a. zum Federpendel, anhand ihrer charakteristischen Größen.
- 2formulieren für die Schwingung eines Fadenpendels Hypothesen über die Abhängigkeit der Schwingungsdauer von anderen Größen. Zur Überprüfung dieser Hypothesen führen sie ein selbständig geplantes Experiment durch und verifizieren insbesondere den näherungsweise quadratischen Zusammenhang zwischen Periodendauer und Pendellänge mithilfe einer graphischen Auswertung. Sie benennen Ursachen für Messunsicherheiten sowie Möglichkeiten der Minimierung dieser Unsicherheiten und quantifizieren die Messunsicherheit einer mehrfach gemessenen Größe unter Verwendung geeigneter statistischer Kenngrößen.
- 3identifizieren Longitudinal- und Transversalwellen in Alltagsbeispielen. Sie beschreiben die Ausbreitung mechanischer Wellen mithilfe eines geeigneten Modells und nutzen digitale Medien zur Veranschaulichung.
- 4erkennen Beugung und Interferenz als typische Wellenphänomene. Sie argumentieren zur Erklärung von Alltagsphänomenen und experimentellen Beobachtungen zur Interferenz mechanischer Wellen mit dem Superpositionsprinzip. Insbesondere begründen sie das Zustandekommen von konstruktiver und destruktiver Interferenz bei zwei Wellenzentren mit dem Gangunterschied.
- 5untersuchen monochromatisches Licht am Doppelspalt, interpretieren das Schirmbild qualitativ mithilfe des Wellenmodells und formulieren einen Zusammenhang zwischen Farbe und Wellenlänge des Lichts.
- 6vergleichen das Photonen- und das Wellenmodell des Lichts, insbesondere unter dem Aspekt ihrer jeweiligen Anwendbarkeit.
Eigenverantwortliche Arbeit an physikalischen Themen
7 Kompetenzen
- 1reflektieren Auswirkungen bedeutsamer Beobachtungen und physikalischer Theorien auf die Entwicklung des astronomischen Weltbilds in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen. Hierfür verwenden sie physikalische und historische Kenntnisse, die sie sich selbständig aus verschiedenen Quellen erschließen.
- 2stellen wesentliche Aussagen der speziellen Relativitätstheorie auch quantitativ dar, indem sie anhand vorgegebener Fachtexte und digitaler Lernumgebungen Gedankenexperimente nachvollziehen und sachgerecht wiedergeben. Dabei identifizieren sie in Schlussfolgerungen aus den Einstein’schen Postulaten eine Struktur physikalischer Argumentationsketten und erkennen die Verifizierung von Vorhersagen einer Theorie als eine Funktion von Experimenten.
- 3erläutern den Unterschied zwischen reversiblen und irreversiblen Vorgängen anhand eines selbst gewählten Beispiels und verdeutlichen, dass irreversible Vorgänge mit einer Energieentwertung verbunden sind. Sie ziehen daraus qualitative Schlussfolgerungen über Beschränkungen des Wirkungsgrades.
- 4vergleichen zu ausgewählten Aspekten des modernen astronomischen Weltbildes jeweils die Inhalte einer vorgegebenen Quelle mit Rechercheergebnissen im Internet. Sie bereiten ihre Ergebnisse unter Verwendung geeigneter Darstellungen zu einer adressatengerechten Präsentation auf.
- 5erläutern den begrenzten Gültigkeitsbereich der klassischen Mechanik exemplarisch anhand der veränderten Vorstellung von Raum und Zeit.
- 6nehmen zu gesellschaftlich relevanten Fragen der Energieversorgung Stellung. Hierfür nutzen sie naturwissenschaftliche Daten, die sie nach vorgegebener Problemstellung berechnen oder aus unterschiedlichen Quellen selbständig recherchieren, und wägen im Rahmen einer Nutzwertanalyse Kriterien wie Wirkungsgrad, Ressourcenknappheit oder Auswirkungen auf die Umwelt gegeneinander ab. Sie entwickeln, z. B. im Rahmen eines Planspiels, eigene Positionen und begründen diese sachlich gegenüber Diskussionspartnern. Sie sind sich der Bedeutung der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise für die Objektivierung der Energiedebatte bewusst.
- 7diskutieren u. a. am Beispiel der „Deutschen Physik“, wie sich gesellschaftliche und politische Entwicklungen auf die Wahrnehmung und Akzeptanz physikalischer Erkenntnisse auswirken.
Profilbereich am NTG
17 Kompetenzen
- 1führen selbständig hypothesengeleitet experimentelle Untersuchungen zu Alltagssituationen durch. Bei der Messwerterfassung, zur Auswertung und zur Darstellung ihrer Ergebnisse verwenden sie zielgerichtet auch digitale Werkzeuge. Sie ziehen Schlussfolgerungen aus den Resultaten ihrer Untersuchungen.
- 2erklären, dass Bewegungen unter dem Einfluss nichtkonstanter Kräfte näherungsweise beschrieben werden können, indem eine Zerlegung in kurze Zeitabschnitte betrachtet wird, in denen die jeweilige Kraft als konstant angenommen wird.
- 3untersuchen experimentell die U‑I‑Kennlinie einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke und ermitteln den Maximum‑Power‑Point. Sie erkennen die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften eines Objekts als eine Funktion physikalischer Experimente.
- 4entnehmen einer Diskussion oder einem Vortrag bzw. einer Veröffentlichung wesentliche fachliche Inhalte, Argumentationsmuster und Interessenlagen des Sprechers bzw. Autors.
- 5reflektieren im Rahmen eines gesellschaftlich kontrovers diskutierten Themas Bewertungen, die sie Veröffentlichungen oder Diskussionen entnehmen, hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses und der Korrektheit verwendeter physikalischer Belege.
- 6vertiefen physikalische Modellvorstellungen unter Einbeziehung moderner Forschungsergebnisse. Sie nutzen Modellierungen insbesondere in technischen Kontexten und reflektieren sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Gültigkeitsgrenzen dieser Modelle.
- 7führen die Methode der kleinen Schritte unter Zuhilfenahme einer geeigneten Software für verschiedene Bewegungsabläufe selbständig durch. Sie interpretieren die hierbei gewonnenen Zeit‑Weg‑, Zeit‑Geschwindigkeit‑ und Zeit‑Beschleunigung-Diagramme, diskutieren die Güte dieser Methode und vergleichen Ergebnisse einer Simulation mit dem entsprechenden Realexperiment.
- 8erläutern die grundlegende Funktionsweise und die Bedeutung technischer Komponenten in Photovoltaikanlagen.
- 9bewerten den Nutzen photovoltaischer Anlagen, indem sie eigene experimentelle Ergebnisse sowie Informationen aus Sachtexten, Tabellen und Diagrammen verwenden. Sie führen hierbei Abschätzungen und Berechnungen durch und beziehen außerfachliche Aspekte (z. B. ökologische, ökonomische, gesellschaftliche) ein.
- 10gewinnen Erkenntnisse über das Verhalten eines physikalischen Systems durch Untersuchung der Abhängigkeit der Ergebnisse seiner Simulation von den gewählten Parametern, z. B. Abhängigkeiten der Schwingungsdauer einer Federschwingung.
- 11reflektieren die Verantwortung der naturwissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft und des einzelnen Naturwissenschaftlers für Gesellschaft und Politik.
- 12erörtern Gesundheitsrisiken und Sicherheitsfragen in Alltagskontexten sowie bei der Nutzung digitaler Technologien (z. B. digitale Kommunikation) und entwickeln auf Grundlage ihrer physikalischen Kenntnisse und außerphysikalischer Gesichtspunkte Handlungsoptionen für ihre eigene Lebensgestaltung.
- 13formulieren in Bezug auf ein gesellschaftlich kontrovers diskutiertes Thema eine physikalisch fundierte Stellungnahme zu einer Diskussion, Präsentation oder Veröffentlichung.
- 14erläutern die Relevanz der Methode der kleinen Schritte in unterschiedlichen aktuellen Forschungsgebieten oder im Ingenieurwesen und erkennen dabei die Bedeutung der Physik für andere Wissenschaften.
- 15präsentieren fachliche Informationen oder Forschungsergebnisse sach- und adressatengerecht unter Verwendung geeignet gewählter Darstellungsformen und Medien.
- 16extrahieren z. B. aus Ausstellungen, Veröffentlichungen oder Vorträgen unterschiedliche Wege naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und stellen Vergleiche an.
- 17führen einen Prozess der physikalischen Erkenntnisgewinnung an einem Beispiel selbst durch und interpretieren die Relevanz ihrer Ergebnisse z. B. für ihren Alltag oder die Wissenschaft.
Jahrgangsstufe 12
Das Auge
6 Kompetenzen
- 1beschreiben das Linsenauge mithilfe eines physikalischen Modells der geometrischen Optik. Mit diesem Modell konstruieren sie den Strahlenverlauf und stellen quantitative Überlegungen zum scharfen Sehen an. Dabei verwenden sie eine digitale Simulation zur geometrischen Optik und reflektieren die Grenzen des verwendeten Modells.
- 2formulieren physikalische Fragestellungen zu Sehschwächen und untersuchen diese selbständig experimentell mithilfe des Linse-Schirm-Modells. Sie vergleichen die experimentellen Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen der Linsengleichung.
- 3stellen Hypothesen zum Farbsehen auf und erklären die additive Farbmischung als physiologischen Effekt. Sie argumentieren dabei mit vorgegebenen graphischen Darstellungen empirischer biologischer Daten.
- 4leiten aufbauend auf ihren Kenntnissen zu Beugung und Interferenz quantitative Aussagen über die Intensitätsverteilung hinter Doppel‑ und Einzelspalt her und machen die Übertragung auf die Lochblende plausibel. Sie schätzen quantitativ den Einfluss verschiedener Faktoren auf das Auflösungsvermögen des Linsenauges ab und diskutieren exemplarisch physikalische Randbedingungen evolutionärer Prozesse.
- 5bestimmen selbständig das Auflösungsvermögen des eigenen Auges und vergleichen das Ergebnis mit auf anderen Wegen erhaltenen Abschätzungen. Sie diskutieren Möglichkeiten der Minimierung von Messunsicherheiten und ihren Einfluss auf das Ergebnis.
- 6recherchieren Aufbau und Auflösungsvermögen weiterer Linsenaugen im Tierreich und reflektieren daran die Generalisierbarkeit des eingeführten physikalischen Modells. Anhand dieser Beispiele erläutern sie allgemein die Passung eines biologischen Systems im Hinblick auf seine jeweiligen Anforderungen.
Das Ohr
5 Kompetenzen
- 1erläutern experimentelle Befunde zur Interferenz von Schallwellen mithilfe des Superpositionsprinzips, unterscheiden mit digitalen Werkzeugen gewonnene Frequenzspektren von Tönen und Klängen und stellen Zusammenhänge mit den zugehörigen Schwingungsdiagrammen her.
- 2führen quantitative Betrachtungen zur Lautstärke in Alltagssituationen durch und stellen mathematische Zusammenhänge zwischen der empfundenen Lautstärke und physikalisch messbaren Größen her. Sie beurteilen die von hohen Schalldruckpegeln ausgehenden Gesundheitsgefährdungen und ziehen Konsequenzen für die eigene Lebensgestaltung.
- 3erklären die Funktion des Außenohrs als selektiver Frequenzfilter. Sie beurteilen die Plausibilität vorgegebener Hypothesen zum Richtungshören durch quantitative Abschätzungen.
- 4beschreiben mithilfe eines mechanischen Analogieexperiments zur Resonanz das Schwingungsverhalten der Basilarmembran im Innenohr und fassen aus vorgegebenen Quellen Grundzüge der allgemeinen Theorie des Innenohrs zusammen. Sie erläutern die Fähigkeit des Ohres zu amplituden- und frequenzselektiver Wahrnehmung und formulieren dabei unter Verwendung der Fachsprache chronologisch und kausal korrekt strukturiert.
- 5erschließen sich aus vorgegebenen Quellen physikalische Prinzipien der Funktionsweise des Corti’schen Organs. Sie präsentieren ihre Ergebnisse mit ziel‑ und sachgerechten Schwerpunktsetzungen und Darstellungsformen in passender Struktur und unter Verwendung korrekter Fachsprache mithilfe selbst gewählter, auch digitaler Medien unter Berücksichtigung formaler und ästhetischer Gestaltungskriterien. Dabei beachten sie die Urheberschaft, belegen verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.
Strahlenbiophysik und medizintechnische Anwendungen
6 Kompetenzen
- 1beschreiben und erklären Beobachtungen und Ergebnisse physikalischer Experimente mithilfe des Konzepts von elektrischem und magnetischem Feld, auch unter Einsatz von Simulationen. Sie beschreiben die Aussage‑ und Vorhersagemöglichkeiten der Modellierung von biologischen Sachverhalten durch elektrische und magnetische Felder und beachten die Grenzen der verwendeten Modelle.
- 2entwickeln ein Messverfahren zur Bestimmung des Potentials bei einer vorgegebenen Ladungsverteilung. Sie nehmen selbständig die Äquipotentiallinien eines elektrischen Dipolfeldes auf und stellen unter Verwendung von geeignetem Informationsmaterial einen Zusammenhang zwischen ihrem Ergebnis und dem EKG her. Dabei nutzen sie auch digitale Simulationen.
- 3nutzen bei quantitativen Betrachtungen Größengleichungen für die elektrische Feldstärke, die magnetische Flussdichte sowie die zugehörigen Kräfte.
- 4beschreiben die Bewegung geladener Teilchen in homogenen elektrischen Längsfeldern sowie auf Kreisbahnen in homogenen Magnetfeldern quantitativ, in elektrischen Querfeldern qualitativ. Hierzu wählen sie selbständig geeignete Modellierungen und physikalische Konzepte.
- 5erläutern das Funktionsprinzip des Zyklotrons und beschreiben seine Bedeutung für Strahlentherapien. Unter Verwendung geeigneter Fachtexte diskutieren sie Nutzen und Risiken solcher Therapieverfahren und reflektieren auf der Grundlage ihrer Kenntnisse über schlüssige und überzeugende Argumentationen eine vorgegebene Bewertung hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses.
- 6erklären die Entstehung von Röntgenbremsstrahlung durch die Beschleunigung von Elektronen sowie das Bremsspektrum durch Rückgriff auf das Photonenmodell. Sie reflektieren die Folgen einer Entscheidung für den Einsatz von Röntgenstrahlung in der Medizin unter Berücksichtigung des Spektralbereichs von Röntgenstrahlung.
Neuronale Signalleitung
9 Kompetenzen
- 1beschreiben den Beitrag von Ladungs‑ und Konzentrationsunterschieden zur Ausbildung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials in einer Nervenzelle. Dabei veranschaulichen sie den Diffusionsprozess mit einem Tabellenkalkulationsprogramm.
- 2beschreiben Methoden zur Messung der Signalleitungsgeschwindigkeit in Nervenzellen und die damit gewonnenen Ergebnisse. Sie beurteilen die Eignung der Verfahren und schätzen dazu Stärke und zeitlichen Verlauf der verwendeten elektrischen und magnetischen Felder ab. Auftretende Induktionsspannungen erklären sie, auch quantitativ, durch die mittlere Änderungsrate des magnetischen Flusses.
- 3modellieren ein Axonsegment durch einen elektrischen Schaltkreis. Sie erweitern die Modellierung auf mehrere Axonsegmente und reflektieren kritisch die Eignung des erweiterten Modells zur Beschreibung der aktiven und passiven Signalleitung.
- 4messen die Potentialdifferenz an verschiedenen Stellen einer Widerstandsleiter als Modell für mehrere Axonsegmente. Sie diskutieren anhand ihrer Messwerte den Einfluss von Membran‑ und Axialwiderstand auf den räumlichen Verlauf der Potentialdifferenz und modellieren den Verlauf mathematisch.
- 5vergleichen die Ladekurve eines Kondensators mit dem zeitlichen Aufbau des Signals bei der passiven Signalleitung und modellieren den Spannungsverlauf mathematisch.
- 6erläutern Möglichkeiten zur Optimierung der elektrischen Signalstärke bei der passiven Signalleitung, vergleichen sie mit physiologischen Messergebnissen und reflektieren so die Relevanz des Modells für die Erkenntnisgewinnung im biologischen System.
- 7wählen aus verschiedenen, auch selbständig recherchierten Quellen Informationen zur aktiven Signalleitung aus und erläutern damit adressatengerecht die wesentlichen physikalischen Prozesse. Sie berücksichtigen bei der Erklärung der zeitlichen Entwicklung des Signals die spezifischen Eigenschaften der Kalium- und Natrium‑Ionenkanäle. Dabei nutzen sie ihr Wissen über Argumentationsketten zur Entwicklung eigener innerfachlicher Argumentationen.
- 8erläutern die Vorteile der saltatorischen Signalleitung für eine effiziente Signalleitung anhand der physikalischen Eigenschaften der Zellmembran und des Aufbaus von Nervenzellen. Sie reflektieren die Bedeutung physikalischer Kompetenzen für das Verständnis biologischer Zusammenhänge.
- 9vollziehen anhand geeigneter Diagramme grundlegende Verschaltungsprinzipien von Nervenzellen nach und erklären damit eine optische Täuschung. Sie verallgemeinern diese Verschaltungsprinzipien und formulieren auf der Grundlage selbständig recherchierter Quellen kurze Bewertungen zu Chancen und Grenzen künstlicher neuronaler Netze. Sie tauschen sich darüber konstruktiv mit anderen aus und reflektieren ihren eigenen Standpunkt.
Jahrgangsstufe 12
Statische elektrische und magnetische Felder
9 Kompetenzen
- 1beschreiben und erklären Beobachtungen und experimentelle Ergebnisse mithilfe des Konzepts von elektrischem und magnetischem Feld, auch unter Einsatz von Simulationen. Sie beschreiben die Aussage- und Vorhersagemöglichkeiten der Modellierung von alltagsrelevanten Sachverhalten und beachten die Grenzen der verwendeten Modelle. Sie beziehen Überlegungen im Rahmen des Feldkonzepts zurück auf Alltagssituationen und reflektieren Fragen der Generalisierbarkeit.
- 2nutzen bei quantitativen Betrachtungen Größengleichungen für die elektrische Feldstärke, die magnetische Flussdichte sowie die zugehörigen Kräfte.
- 3nutzen unter Zuhilfenahme von Pfeildarstellungen das Superpositionsprinzip zur Beschreibung der Überlagerung von Feldern.
- 4formulieren Hypothesen zur Abhängigkeit der vom Kondensator gespeicherten Ladung und Energie. Sie diskutieren die Eignung vorgegebener Experimente zur Überprüfung dieser Hypothesen und planen ihre Auswertung. Dabei reflektieren sie die Bedeutung von Experimenten für die physikalische Erkenntnisgewinnung.
- 5planen ein Experiment zur Aufnahme des Zeit-Stromstärke-Diagramms bei der Auf- und Entladung eines Kondensators und untersuchen qualitativ Auswirkungen von Veränderungen der Versuchsparameter. Den zeitlichen Verlauf der Stromstärke beim Entladevorgang beschreiben sie quantitativ durch eine Exponentialfunktion. Sie ermitteln unter Zuhilfenahme geeigneter Software die im Kondensator gespeicherte Ladung aus dem Diagramm und benennen Ursachen der Abweichungen vom theoretisch zu erwartenden Wert.
- 6beschreiben Analogien zwischen elektrischen, magnetischen und Gravitationsfeldern und nutzen die Analogie zwischen potentieller Energie im elektrischen Feld und Höhenenergie, um das elektrische Potential zu erläutern.
- 7entwickeln ein Messverfahren zur Bestimmung des Potentials bei einer vorgegebenen Ladungsverteilung. Den selbständig bestimmten Potentialverlauf vergleichen sie mit dem durch reflektierten Einsatz einer Simulation erhaltenen Verlauf der Äquipotentiallinien. Sie nutzen Software zur Auswertung der experimentellen Daten mittels Regression.
- 8beschreiben, insbesondere auch in alltagsrelevanten Kontexten, die Bewegung geladener Teilchen in homogenen elektrischen Längsfeldern sowie auf Kreisbahnen in homogenen Magnetfeldern quantitativ, in elektrischen Querfeldern qualitativ. Hierzu wählen sie selbstständig geeignete Modellierungen und physikalische Konzepte. Im Zusammenhang mit hohen Geschwindigkeiten erläutern sie den beschränkten Gültigkeitsbereich der Newton’schen Mechanik und verwenden den relativistischen Impuls sowie die relativistische Energie. Sie erschließen sich zielgerichtet Informationen aus digitalen Lernumgebungen sowie für ihre Zwecke passenden selbst gewählten Quellen. Ihre Arbeitsergebnisse dokumentieren sie unter Verwendung geeigneter Darstellungsformen und schlüssiger physikalischer Argumentationsketten.
- 9erschließen sich physikalische Grundlagen sowie technische Umsetzungen von Hall- Effekt und Hall-Sonde, eines Massenspektrometers sowie eines einfachen Teilchenbeschleunigers. Sie präsentieren ihre Ergebnisse mit ziel- und sachgerechter Schwerpunktsetzung in passender Struktur und unter Verwendung korrekter Fachsprache mithilfe selbst gewählter, auch digitaler Medien unter Berücksichtigung formaler und ästhetischer Gestaltungskriterien. Dabei beachten sie die Urheberschaft, belegen verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.
Elektromagnetische Induktion und Schwingungen
5 Kompetenzen
- 1identifizieren und entwickeln Fragestellungen zu Induktionsphänomenen sowie Induktionsvorgängen in einer Spule, zu deren Bearbeitung sie das Induktionsgesetz und das Energiekonzept nutzen. Um Abhängigkeiten zwischen Größen darzustellen bzw. Beziehungen herzuleiten und Strukturen in experimentellen Daten zu erklären, kombinieren sie geeignete Größengleichungen und verwenden sachgerechte graphische Darstellungen sowie graphische Integrationen und Ableitungen.
- 2erklären die Selbstinduktion in einer Spule beim Ein- und Ausschalten des Stroms mit Fokus auf einer kausal korrekten Argumentationsstruktur. Sie beurteilen Nutzen und Risiken hoher Selbstinduktionsspannungen, auch im Zusammenhang mit technischen Anwendungen. Sie tauschen sich mit anderen konstruktiv über ihre Betrachtungen aus, wobei sie ihre Ergebnisse vertreten, reflektieren und gegebenenfalls korrigieren.
- 3erklären die auf Induktion beruhenden Funktionsprinzipien technischer Anwendungen unter Beachtung kausal korrekter Beschreibungen. Dazu nutzen sie digitale Lernumgebungen und selbst recherchierte Quellen, die sie anhand von Suchstrategien begründet auswählen. Letztere prüfen sie auch hinsichtlich ihrer Relevanz für die untersuchten Fragestellungen. Sie veranschaulichen ihre Arbeitsergebnisse unter Verwendung von sach-, ziel- und adressatengerechten Darstellungsformen und reflektieren bei ihren Erklärungen auch die große Bedeutung physikalischer Erkenntnisse für den durch Technik geprägten Alltag.
- 4erklären für den Idealfall der freien ungedämpften elektromagnetischen Schwingung das Zusammenwirken von Kondensator und Spule im Schwingkreis in Analogie zum Federpendel. Sie führen mithilfe des Energieerhaltungssatzes auch quantitative Betrachtungen durch und verwenden Diagramme sowie mathematische Funktionen zur Beschreibung der Schwingungen.
- 5stellen Hypothesen über Auswirkungen von Veränderungen der Versuchsparameter beim elektromagnetischen Schwingkreis auf. Sie planen experimentelle Vorgehensweisen zur Überprüfung dieser Hypothesen und führen diese Experimente mithilfe eines computergestützten Messwerterfassungssystems angeleitet durch.
Elektromagnetische Wellen
6 Kompetenzen
- 1beschreiben auf Grundlage von Beobachtungen in Simulationen oder Experimenten die Struktur des elektromagnetischen Feldes im Fernbereich eines Dipols sowie Phänomene bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Sie erkennen die Polarisierbarkeit als Merkmal transversaler Wellen.
- 2beziehen bei der Untersuchung der Interferenz von Dipol- und Mikrowellenstrahlung sowie Licht am Doppelspalt theoretische Überlegungen und experimentelle Erkenntnisse aufeinander. Dabei identifizieren sie Licht als sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums. Sie erläutern die experimentelle Bestimmung der Wellenlänge am Doppelspalt sowie mithilfe der Erzeugung einer stehenden Welle durch Reflexion.
- 3bestimmen selbständig die Wellenlängen verschiedenfarbigen, von Leuchtdioden emittierten Lichts mithilfe eines Gitters. Dabei erläutern sie die Funktion der einzelnen Komponenten des Aufbaus, diskutieren Möglichkeiten der Minimierung von Messunsicherheiten und ermitteln den quantitativen Einfluss der Unsicherheiten auf das Ergebnis.
- 4erklären die Entstehung von Röntgenbremsstrahlung durch die Beschleunigung von Elektronen sowie das Bremsspektrum durch Rückgriff auf das Photonenmodell. Sie reflektieren die Folgen einer Entscheidung für den Einsatz von Röntgenstrahlung in der Medizin unter Berücksichtigung des Spektralbereichs von Röntgenstrahlung.
- 5reflektieren die Universalität des Konzepts der elektromagnetischen Wellen zur Deutung von Phänomenen im gesamten elektromagnetischen Spektrum.
- 6beurteilen am Beispiel elektromagnetischer Wellen im Alltag vorgegebene Argumentationen, z. B. zum Umgang mit Mobiltelefonen, hinsichtlich ihrer Vertrauenswürdigkeit und Relevanz, wobei sie auch die interessengeleitete Setzung und Verbreitung medialer Inhalte erkennen und den Einfluss der Medien auf gesellschaftliche Diskurse zu technischen Anwendungen hinterfragen. Sie reflektieren auf der Grundlage fachlicher Kriterien sowie ihrer Kenntnisse über schlüssige und überzeugende Argumentationen vorgegebene Risikoeinschätzungen hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses und entwickeln daraus Handlungsoptionen für den Umgang mit den betrachteten Technologien, die sie durch eine Nutzwertanalyse vergleichen.
Jahrgangsstufe 12
Statische elektrische und magnetische Felder
11 Kompetenzen
- 1beschreiben und erklären Beobachtungen und experimentelle Ergebnisse mithilfe des Konzepts von elektrischem und magnetischem Feld, auch unter Einsatz von Simulationen, die sie sach‑ und zielorientiert handhaben. Sie beschreiben die Aussage‑ und Vorhersagemöglichkeiten der Modellierung von alltagsrelevanten Sachverhalten und beachten die Grenzen der verwendeten Modelle. Sie beziehen Überlegungen im Rahmen des Feldkonzepts zurück auf Alltagssituationen und reflektieren Fragen der Generalisierbarkeit.
- 2nutzen bei quantitativen Betrachtungen Größengleichungen für die elektrische Feldstärke, die magnetische Flussdichte sowie die zugehörigen Kräfte.
- 3bestätigen anhand von Messwerten durch Regression den Term für die Coulombkraft.
- 4nutzen unter Zuhilfenahme von Pfeildarstellungen das Superpositionsprinzip zur Beschreibung der Überlagerung von Feldern, für den Fall paralleler und orthogonaler Felder auch rechnerisch.
- 5formulieren Hypothesen zur Abhängigkeit der vom Kondensator gespeicherten Ladung und Energie. Sie diskutieren die Eignung vorgegebener Experimente zur Überprüfung dieser Hypothesen und planen ihre Auswertung. Dabei reflektieren sie die Bedeutung von Experimenten für die physikalische Erkenntnisgewinnung.
- 6modellieren die Wirkung elektrischer Felder auf Materie anhand der Phänomene Influenz und Polarisation und erläutern die Auswirkung eines Dielektrikums auf die Kapazität eines Plattenkondensators, insbesondere im Kontext technischer Anwendungen im Alltag.
- 7modellieren den zeitlichen Verlauf von Spannung und Stromstärke bei der Auf‑ und Entladung eines Kondensators mithilfe von Differentialgleichungen und ermitteln die im Kondensator gespeicherte Ladung.
- 8beschreiben Analogien zwischen elektrischen, magnetischen und Gravitationsfeldern. Sie nutzen die Analogien zwischen elektrischem Feld und Gravitationsfeld insbesondere für die Beschreibung von Kraft, Feldstärke, Energie und Potential für das homogene und das radialsymmetrische Feld.
- 9entwickeln auf Grundlage der Definition der Spannung als Potentialdifferenz ein Messverfahren zur Bestimmung des Potentials bei einer vorgegebenen Ladungsverteilung.
- 10beschreiben, insbesondere auch in alltagsrelevanten Kontexten, quantitativ die Bewegung geladener Teilchen in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern. Hierzu wählen sie selbstständig geeignete Modellierungen und physikalische Konzepte. Im Zusammenhang mit hohen Geschwindigkeiten erläutern sie den beschränkten Gültigkeitsbereich der Newton’schen Mechanik und verwenden den relativistischen Impuls sowie die relativistische Energie. Sie erschließen sich zielgerichtet Informationen aus digitalen Lernumgebungen sowie für ihre Zwecke passenden selbst gewählten Quellen. Die recherchierten Informationen fassen sie zielorientiert zusammen und speichern sie strukturiert unter Verwendung geeigneter digitaler Werkzeuge. Ihre Arbeitsergebnisse dokumentieren sie unter Verwendung geeigneter Darstellungsformen und schlüssiger physikalischer Argumentationsketten.
- 11erschließen sich physikalische Grundlagen sowie technische Umsetzungen von Hall‑Effekt und Hall‑Sonde, eines Massenspektrometers sowie eines einfachen Teilchenbeschleunigers und präsentieren mit ziel‑ und sachgerechter Schwerpunktsetzung ihre Ergebnisse in passender Struktur und unter Verwendung korrekter Fachsprache mithilfe selbst gewählter, auch digitaler Medien unter Berücksichtigung formaler und ästhetischer Gestaltungskriterien. Dabei beachten sie die Urheberschaft, belegen verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.
Elektromagnetische Induktion und Schwingungen
9 Kompetenzen
- 1identifizieren und entwickeln Fragestellungen zu Induktionsphänomenen sowie Induktionsvorgängen in einer Spule, zu deren Bearbeitung sie das Induktionsgesetz und das Energiekonzept unter besonderer Beachtung einer kausal korrekten Argumentationsstruktur nutzen. Um Abhängigkeiten zwischen Größen darzustellen bzw. Beziehungen herzuleiten und Strukturen in experimentellen Daten zu erklären, kombinieren sie geeignete Größengleichungen und verwenden funktionale Zusammenhänge sowie ihre Darstellung in Diagrammen, Ableitungsfunktionen und graphische Integrationen, auch in komplexeren Kontexten.
- 2erklären die Selbstinduktion in einer Spule beim Ein‑ und Ausschalten des Stroms mit Fokus auf einer kausal korrekten Argumentationsstruktur. Sie beurteilen Nutzen und Risiken hoher Selbstinduktionsspannungen, auch im Zusammenhang mit technischen Anwendungen. Sie tauschen sich mit anderen konstruktiv über ihre Betrachtungen aus, wobei sie ihre Ergebnisse vertreten, reflektieren und gegebenenfalls korrigieren.
- 3nutzen Differentialgleichungen und ihre Lösungen zur Beschreibung von Ein‑ und Ausschaltvorgängen bei einer Reihenschaltung aus Spule und Ohm'schem Widerstand sowie zur Untersuchung des Einflusses der relevanten Größen. Dabei reflektieren sie die Bedeutung von Differentialgleichungen für die Modellierung physikalischer Systeme und die Vorhersage ihres Verhaltens.
- 4erklären die auf Induktion beruhenden Funktionsprinzipien technischer Anwendungen unter Beachtung kausal korrekter Beschreibungen. Dazu nutzen sie digitale Lernumgebungen und selbst recherchierte Quellen, einschließlich komplexerer Fachtexte, die sie anhand von Suchstrategien begründet auswählen. Sie prüfen Quellen hinsichtlich ihrer Relevanz für die untersuchten Fragestellungen. Sie veranschaulichen ihre Arbeitsergebnisse unter Verwendung von sach‑, ziel‑ und adressatengerechten Darstellungsformen. Sie reflektieren bei ihren Erklärungen auch die große Bedeutung physikalischer Erkenntnisse für den durch Technik geprägten Alltag.
- 5erklären für den Idealfall der freien ungedämpften elektromagnetischen Schwingung das Zusammenwirken von Kondensator und Spule im Schwingkreis in Analogie zum Federpendel und beschreiben Schwingungsvorgänge mithilfe von Diagrammen. Diese Analogiebetrachtungen setzen sie bei quantitativen Untersuchungen, unter anderem durch Energiebetrachtungen und die Beschreibung mithilfe von Differentialgleichungen, fort und reflektieren die Generalisierbarkeit dieser Modellierungen. Sie erkennen das lineare Kraftgesetz als Bedingung für die Entstehung einer mechanischen harmonischen Schwingung.
- 6erschließen sich aus Fachtexten die Lösung der Differentialgleichung einer gedämpften Schwingung für den Fall einer geschwindigkeitsproportionalen Dämpfung. Sie erläutern Analogien zwischen mechanischen und elektromagnetischen gedämpften schwingungsfähigen Systemen und den Einfluss der Parameter dieser Systeme auf ihr Verhalten. Sie entnehmen selbst recherchierten Quellen Informationen über eine technische Anwendung der Dämpfung von Schwingungen und erstellen unter Verwendung angemessener Darstellungsformen Informationsmaterial für einen Adressatenkreis mit nicht vertieften physikalischen Kenntnissen.
- 7erschließen sich aus Beobachtungen bei einem Experiment zu einer erzwungenen mechanischen Schwingung grundlegende Abhängigkeiten der resultierenden Amplitude sowie der Phasenverschiebung zwischen Anregung und Schwingung von der Anregungsfrequenz und weiteren Parametern. Diese geben sie in passender Struktur und angemessener Fachsprache wieder. Sie erklären durch Analogiebetrachtungen Strukturen in experimentellen Daten zu einer erzwungenen Schwingung in einem elektromagnetischen Schwingkreis.
- 8nutzen Zeigerdiagramme als fachtypische Darstellungsform zur Beschreibung des sinusförmigen zeitlichen Verlaufs von Spannung und Stromstärke in einem Wechselstromkreis mit einem Ohm'schen Widerstand.
- 9erschließen sich aus differentiellen Zusammenhängen die Amplitudenverhältnisse und Phasenbeziehungen zwischen Spannung und Stromstärke für einen Kondensator und eine Spule im Wechselstromkreis. Sie beschreiben das Verhalten von RL‑ und RC‑Gliedern durch Zeigerdiagramme und erläutern anhand dieser Diagramme technische Anwendungen.
Elektromagnetische Wellen
14 Kompetenzen
- 1beschreiben experimentelle Untersuchungen zur Struktur des elektromagnetischen Feldes im Nahbereich eines Dipols. Die Ergebnisse stellen sie, unterstützt durch Beobachtungen aus Simulationen, in ziel‑ und sachgerechten Darstellungsformen graphisch dar.
- 2erklären auf der Grundlage einer graphischen Darstellung der Maxwellgleichungen in kausal korrekter Struktur das Zustandekommen der elektromagnetischen Schwingung in einem Dipol und die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle in seinem Fernbereich. Sie reflektieren die Bedeutung von grundlegenden Naturgesetzen in der Physik.
- 3beschreiben auf Grundlage von Beobachtungen in Simulationen oder Experimenten die Struktur des elektromagnetischen Feldes im Fernbereich eines Dipols sowie Phänomene bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Sie erkennen die Polarisierbarkeit als Merkmal transversaler Wellen.
- 4beschreiben die zeitliche und räumliche Entwicklung des elektrischen und des magnetischen Feldes einer ebenen elektromagnetischen Welle mathematisch.
- 5beziehen bei der Untersuchung der Interferenz von Dipol‑ und Mikrowellenstrahlung sowie der Ausbildung einer stehenden Welle durch Reflexion theoretische Überlegungen und experimentelle Erkenntnisse aufeinander. Die resultierende Amplitude und Intensität an beliebigen Punkten ermitteln sie durch die Addition von Zeigern.
- 6Bei der Betrachtung der Interferenz von Licht am Doppelspalt reflektieren sie verwendete Annahmen und Näherungen und erläutern Abweichungen der experimentellen Beobachtungen von der mathematischen Modellierung. Sie identifizieren Licht als sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums und reflektieren die Generalisierbarkeit theoretischer Überlegungen.
- 7erklären die Kohärenzbedingungen zur Beobachtung von Interferenzeffekten und erläutern die Bedeutung von Interferenzexperimenten zum Nachweis der Welleneigenschaft und zur Bestimmung von Wellenlängen.
- 8erklären anhand von Zeigerdarstellungen grundlegende Phänomene bei der Interferenz am Mehrfachspalt. Sie erweitern diese Betrachtungen hin zu einem grundlegenden Verständnis der Intensitätsverteilung bei der Interferenz am optischen Gitter.
- 9erläutern die Wellenlängenbestimmung mithilfe eines optischen Gitters sowie die Bedeutung einzelner Komponenten des Versuchsaufbaus und untersuchen die Spektren alltagsrelevanter Lichtquellen. Sie ziehen in Alltagskontexten Rückschlüsse von beobachteten Spektren auf Eigenschaften der Lichtquelle.
- 10erklären die im Experiment beobachtete Intensitätsverteilung bei der Beugung am Einfachspalt mithilfe des Zeigerformalismus. Sie erläutern die Einflüsse der Beugung am Einfachspalt auf die beobachtete Intensitätsverteilung bei der Interferenz von Licht an Doppelspalt und Gitter.
- 11erklären Beobachtungen zur Bragg-Reflexion in einem Modellversuch mit Mikrowellen oder Ultraschall.
- 12erklären die Entstehung von Röntgenbremsstrahlung durch die Beschleunigung von Elektronen sowie das Bremsspektrum durch Rückgriff auf das Photonenmodell. Sie reflektieren die Folgen einer Entscheidung für den Einsatz von Röntgenstrahlung in der Medizin unter Berücksichtigung des Spektralbereichs von Röntgenstrahlung.
- 13reflektieren die Universalität des Konzepts der elektromagnetischen Wellen zur Deutung von Phänomenen im gesamten elektromagnetischen Spektrum und beurteilen vergleichend die Eignung unterschiedlicher Verfahren zur Wellenlängenbestimmung.
- 14beurteilen am Beispiel elektromagnetischer Wellen im Alltag vorgegebene Argumentationen, z. B. zum Umgang mit Mobiltelefonen, hinsichtlich ihrer Vertrauenswürdigkeit und Relevanz, wobei sie auch die interessengeleitete Setzung und Verbreitung medialer Inhalte erkennen und den Einfluss der Medien auf gesellschaftliche Diskurse zu technischen Anwendungen hinterfragen. Sie reflektieren auf der Grundlage fachlicher Kriterien sowie ihrer Kenntnisse über schlüssige und überzeugende Argumentationen vorgegebene Risikoeinschätzungen hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses und entwickeln daraus Handlungsoptionen für den Umgang mit den betrachteten Technologien, die sie durch eine Nutzwertanalyse vergleichen.
Experimentelles Arbeiten
10 Kompetenzen
- 1planen ein Experiment zur Überprüfung der mathematischen Modellierung des Auf‑ oder Entladevorgangs eines Kondensators. Sie untersuchen den Einfluss des Ohm‘schen Widerstands und der Kapazität auf die Zeitkonstante sowie auf die im Kondensator gespeicherte Ladung. Zum Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit dem Modell nutzen sie digitale Werkzeuge zur Regression und zur graphischen Integration.
- 2nehmen selbständig verschiedene Potentialverläufe auf, insbesondere für das homogene und radialsymmetrische Feld sowie für das Dipolfeld. Sie vergleichen diese mit den durch Simulation berechneten Verläufen der Äquipotentiallinien. Zur Auswertung der experimentell ermittelten Potentialverläufe entlang geeigneter Linien nutzen sie Regressionsverfahren mithilfe digitaler Werkzeuge.
- 3verifizieren die theoretisch hergeleitete Bahnkurve der Elektronen im elektrischen Querfeld durch Messungen an der Elektronenablenkröhre. Zur Auswertung mittels Regression nutzen sie digitale Werkzeuge. Sie bestimmen die Masse des Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr. Dazu identifizieren sie zu messende Eingangsgrößen, schätzen deren Messunsicherheiten ab und ermitteln die Messgröße mit ihrer Messunsicherheit. Sie beurteilen die Güte ihrer Messung anhand der Messabweichung vom Tabellenwert.
- 4bestimmen experimentell am Plattenkondensator die relative Permittivität eines vorgegebenen Materials. In einem selbst geplanten Experiment bestimmen sie die Kapazität eines Kondensators anderer Geometrie und vergleichen sie mit einem recherchierten Wert.
- 5untersuchen die Struktur des Magnetfeldes im Innenraum einer langgestreckten Spule oder eines Helmholtz‑Spulenpaars, identifizieren Homogenitätsbereiche und visualisieren ihre Ergebnisse in passenden Darstellungsformen. Sie untersuchen die Überlagerung der Magnetfelder von hintereinandergeschalteten kurzen Spulen entlang der Spulenachse und ermitteln die radiale Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte bei einem stromdurchflossenen geraden Draht.
- 6planen Experimente zum Ein‑ und Ausschaltvorgang von Spulen, in denen sie unter sach‑ und zielgerichteter Handhabung digitaler Werkzeuge den Einfluss des Ohm’schen Widerstands und der Induktivität auf die induzierte Spannung untersuchen. Im Rahmen der Auswertung analysieren sie die Maximalwerte der Induktionsspannung und stellen einen Bezug zur Änderung des magnetischen Flusses her.
- 7bestimmen hypothesengeleitet die Abhängigkeit der Eigenfrequenz eines schwingungsfähigen mechanischen Systems von Systemparametern und vergleichen sie mit der theoretischen Vorhersage. Bei einer erzwungenen Schwingung ermitteln sie die Amplitude in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz und stellen qualitative Beobachtungen zur Phasenverschiebung zwischen Erreger und Oszillator an.
- 8bestimmen hypothesengeleitet die Abhängigkeit der Eigenfrequenz eines elektromagnetischen Schwingkreises von Systemparametern mithilfe einer computergestützten Messwerterfassung und bestätigen die Thomson‑Gleichung. Sie untersuchen die Dämpfung der Schwingung in Abhängigkeit vom Ohm’schen Widerstand. Für die erzwungene Schwingung ermitteln sie experimentell die Resonanzkurve und die Phasenbeziehung zwischen Erreger und Oszillator für zwei unterschiedlich starke Dämpfungen. Sie beschreiben die prinzipielle Funktionsweise eines digitalen Messwerterfassungssystems.
- 9ermitteln für sinusförmige Wechselspannung bei einem Ohm’schen, einem kapazitiven und einem induktiven Widerstand die Phasenbeziehung zwischen Spannung und Stromstärke und stellen die Frequenzabhängigkeiten graphisch dar. Sie untersuchen das frequenzabhängige Verhalten einer Schaltung von Bauteilen mit mindestens einem frequenzabhängigen Widerstand (z. B. Hochpass, Tiefpass, Bandpass, Bandfilter).
- 10bestimmen die Wellenlängen verschiedenfarbigen, von Leuchtdioden emittierten Lichts mithilfe eines Gitters. Sie minimieren die Auswirkungen der Messunsicherheiten, indem sie den quantitativen Einfluss der Unsicherheiten der Eingangsgrößen auf das Ergebnis ermitteln. Sie erläutern die Funktion der einzelnen Komponenten des Aufbaus und kombinieren Größengleichungen zur Auswertung des Experiments. Zur Bestimmung von Strukturgrößen mittels Interferenz planen sie ein Experiment und vergleichen die ermittelten Abmessungen mit den bekannten Strukturgrößen.
Jahrgangsstufe 13
Orientierung am Himmel
2 Kompetenzen
- 1orientieren sich am Nachthimmel mit Unterstützung einer Sternkarte oder geeigneter Software. Sie wählen interessengeleitet einzelne astronomische Objekte für eine Präsentation aus, in der sie Informationen aus geeigneten Fachtexten und z. B. Aufnahmen aus unterschiedlichen Spektralbereichen zusammenfassen. Sie klassifizieren mit bloßem Auge beobachtbare Objekte und treffen unter Berücksichtigung von räumlichen und zeitlichen Aspekten grundlegende Aussagen über deren Sichtbarkeit.
- 2beschreiben die verschiedenen Konstellationen von Planeten mithilfe von Zeichnungen, die sie sich aus Simulationen erschließen, und stellen Zusammenhänge mit deren Sichtbarkeit am Nachthimmel her. Am Beispiel der Schleifenbahnen von Planeten reflektieren sie historisch bedeutsame Erweiterungen und Umbrüche bei der modellhaften Beschreibung der Planetenbahnen und deren Auswirkungen auf das Weltbild.
Das Sonnensystem
4 Kompetenzen
- 1erläutern die Bedeutung der Astronomischen Einheit für die Angabe absoluter Entfernungen im Sonnensystem und erklären unter Zuhilfenahme eines Fachtextes und von Beobachtungsdaten eine Methode, diese grundlegende Längeneinheit der Astrophysik zu ermitteln.
- 2nutzen das Gravitationsgesetz sowie grundlegende Kenntnisse über die Ellipse für quantitative Betrachtungen, um u. a. Massen von Objekten im Sonnensystem zu bestimmen. Sie beurteilen die Eignung des Newton’schen Gravitationsgesetzes zur Beschreibung von Planetenbahnen und reflektieren seine Bedeutung für die historische Entwicklung der Physik.
- 3klassifizieren sicher die Himmelskörper des Sonnensystems anhand ihrer physikalischen Eigenschaften und ihrer Bahnparameter. Sie recherchieren im Zusammenhang mit vorgegebenen Fragestellungen, z. B. zu Magnetfeldern der Planeten, zielgerichtet geeignete Informationen und wählen für diese Zwecke passende Quellen aus. Die gefundenen Informationen ordnen sie, nutzen sie für weiterführende fachliche Schlussfolgerungen und präsentieren ihre Ergebnisse mit digitalen Medien unter Berücksichtigung formaler und ästhetischer Gestaltungskriterien.
- 4leiten aus dem Gravitationsgesetz die Größengleichung der potentiellen Energie einer Masse im Gravitationsfeld und mithilfe des Energiekonzepts die zweite kosmische Geschwindigkeit her. Sie diskutieren miteinander unter Berücksichtigung sowohl physikalischer als auch außerfachlicher Aspekte den Nutzen von Missionen im erdnahen bzw. erdfernen Raum für die Gesellschaft (z. B. hinsichtlich internationaler Zusammenarbeit) und nehmen zu unterschiedlichen Ansichten gegenüber der Raumfahrt einen begründeten Standpunkt ein.
Die Sonne
5 Kompetenzen
- 1beschreiben Methoden, um aus erdgebundenen Sonnenbeobachtungen Daten zur Bestimmung ihrer Zustandsgrößen zu gewinnen, und schätzen mithilfe vorgegebener oder selbstständig gewonnener Messdaten diese Größen ab.
- 2prüfen verschiedene Hypothesen zur Energieumwandlung in der Sonne auf Plausibilität und schließen auf die Kernfusion im Zentralbereich der Sonne als einzige Möglichkeit. Sie führen quantitative Betrachtungen zu Fusionsprozessen durch, insbesondere zum Proton‑Proton- Zyklus, und beschreiben den Energietransport vom Zentralbereich der Sonne bis zu ihrer Atmosphäre.
- 3diskutieren unter Zuhilfenahme selbständig recherchierter Informationen aus Quellen im Internet, die sie hinsichtlich Korrektheit, Fachsprache und Relevanz prüfen, die Bedeutung der Überwachung des Weltraumwetters miteinander. Dabei verwenden sie Zusammenhänge zwischen Änderungen des solaren Magnetfelds, dem Auftreten von Sonnenflecken und Phasen hoher Sonnenaktivität.
- 4beschreiben ausgehend von einem quantenphysikalischen Atommodell das Sonnenspektrum, deuten die Fraunhoferlinien als Absorptionslinien und schätzen mithilfe des Stefan‑Boltzmann-Gesetzes und des Wien’schen Verschiebungsgesetzes die Oberflächentemperatur der Sonne ab. Sie reflektieren die Bedeutung eines Sternspektrums als Quelle physikalischer Erkenntnis, indem sie zielgerichtet im Internet recherchieren, für ihre Zwecke passende Quellen aussuchen und geeignete Schwerpunkte in fachlichen Diskussionen setzen.
- 5setzen Strahlungsgleichgewichte an, um Temperaturen abzuschätzen, insbesondere die mittlere Oberflächentemperatur von Himmelskörpern unseres Sonnensystems. Sie reflektieren die hierbei getroffenen Annahmen und nehmen die ermittelten Temperaturwerte als Ausgangspunkt, um Lebensbedingungen auf Himmelskörpern in unserem Sonnensystem zu beurteilen.
Sterne
6 Kompetenzen
- 1nutzen die trigonometrische Parallaxe zur Entfernungsbestimmung von Sternen sowie zur Abschätzung ihrer Geschwindigkeiten und diskutieren die Bedeutung dieser Methode für die physikalische Erkenntnisgewinnung.
- 2erläutern Zusammenhänge zwischen Spektren, Spektralklassen und Oberflächentemperaturen von Sternen und ziehen Schlussfolgerungen aus den Änderungen von Absorptionslinien, die durch den Dopplereffekt verursacht werden.
- 3nutzen ein Hertzsprung‑Russell-Diagramm zur Entfernungsbestimmung, zur Ermittlung verschiedener Zustandsgrößen und zur Beschreibung der zeitlichen Entwicklung von Sternen. Für Hauptreihensterne stellen sie quantitative Betrachtungen zur Beziehung von Masse und Leuchtkraft sowie zur Verweildauer auf der Hauptreihe an. Dabei berücksichtigen sie die jeweiligen Gültigkeitsbereiche und die daraus resultierenden Aussagemöglichkeiten.
- 4entnehmen vorgegebenen Sachtexten und Diagrammen Informationen zum Materiekreislauf im Universum. Sie verwenden diese Informationen insbesondere dazu, auf die Masse als entscheidende Zustandsgröße eines Sterns zu schließen, die Argumentation zur Entstehung von schweren Elementen zu beurteilen und unter Berücksichtigung der Anfangsmasse und des Massenverlustes das Endstadium von Sternen zu prognostizieren.
- 5nutzen zur Massenbestimmung Beobachtungen bei Zweikörpersystemen im optischen Bereich und bei der Abstrahlung von Gravitationswellen, deren Entstehung sie sich in einer Analogiebetrachtung zu elektromagnetischen Wellen plausibel machen.
- 6beschreiben auf Grundlage selbständig recherchierter digitaler Quellen, deren Urheberschaft sie prüfen und in denen sie Zitate kennzeichnen, Methoden zur Suche nach Exoplaneten, vergleichen Lebensbedingungen mit denen auf der Erde und erörtern hypothesengeleitet die Möglichkeiten zur Entstehung und Existenz anderer Lebensformen. Dabei werden sie sich der Verantwortung des Menschen für die Erde als Lebensraum bewusst.
Großstrukturen im Weltall
5 Kompetenzen
- 1vergleichen den Aufbau von Teleskopen für unterschiedliche Spektralbereiche und nutzen Beobachtungsdaten dieser Teleskope, um die Struktur der Milchstraße zu beschreiben.
- 2schätzen mithilfe des Gravitationsgesetzes Massen ab, insbesondere die Gesamtmasse der Milchstraße und die Masse des Schwarzen Lochs in ihrem Zentrum. Anhand der Betrachtung von Rotationskurven von Galaxien schließen sie auf die Existenz Dunkler Materie.
- 3beschreiben Vorgehensweisen zur Entfernungsbestimmung von Galaxien. Sie wenden diese Verfahren an, vergleichen sie mit anderen Methoden zur astronomischen Entfernungsbestimmung und diskutieren die Verlässlichkeit der Ergebnisse mit Blick auf Messunsicherheiten und die entsprechenden Gültigkeitsgrenzen.
- 4beurteilen mithilfe der Galaxienflucht und der kosmischen Hintergrundstrahlung Aussagen zur zeitlichen Entwicklung des Universums im Urknallmodell und schätzen mit der Hubble‑Beziehung das Alter des Universums ab.
- 5benennen ungelöste Problemstellungen in der Kosmologie und identifizieren darunter diejenigen, die sich mit physikalischen Methoden bearbeiten lassen. Sie prüfen insbesondere populärwissenschaftliche Texte oder Simulationen zu aktuellen astronomischen Erkenntnissen auf physikalische Korrektheit und beurteilen die Vertrauenswürdigkeit und Relevanz der gegebenen Informationen. Dabei prüfen sie die Urheberschaft, belegen die verwendeten Quellen und kennzeichnen Zitate. Sie präsentieren ihre Ergebnisse und reflektieren Auswirkungen dieser Erkenntnisse auf die mögliche Entwicklung der Menschheit.
Jahrgangsstufe 13
Grundideen der Quantenphysik
12 Kompetenzen
- 1erklären den Aufbau sowie die Funktion einzelner Komponenten der Elektronenbeugungsröhre und formulieren basierend auf quantitativen Untersuchungen Hypothesen zur Interpretation des Schirmbilds. Zur Überprüfung der Hypothese, dass Elektronen Welleneigenschaften besitzen, planen sie ein weiteres Experiment.
- 2interpretieren das Betragsquadrat der Wellenfunktion als Nachweiswahrscheinlichkeit. Sie erläutern das Prinzip der Superposition quantenphysikalischer Zustände und die Determiniertheit der zeitlichen Entwicklung der Wellenfunktion.
- 3erläutern das grundlegende Prinzip der Komplementarität am Beispiel der Beschreibung eines Quantenobjekts als Welle und Teilchen. Anhand einer Betrachtung von Wellenpaketen machen sie die Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation plausibel und identifizieren Ort und Impuls als komplementäre Größen.
- 4schließen anhand experimenteller Daten auf den quantitativen Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge des Quantenobjekts Elektron.
- 5erschließen sich mithilfe einer digitalen Simulation Aussagen zu Eigenschaften von Elektronen. Die Entstehung des Interferenzbilds erläutern sie dabei mithilfe von Zeigerdiagrammen. Sie folgern die Unzulänglichkeit der klassischen Beschreibung des Elektrons sowie die Notwendigkeit der Einführung des Begriffs Quantenobjekt.
- 6beschreiben den quantenphysikalischen Messprozess als zufällige Auswahl eines Realität werdenden Zustands. Sie vergleichen den quantenphysikalischen mit dem klassischen Messprozess und reflektieren die Problematik der Übertragung von Begriffen aus der Anschauungswelt in die Quantenphysik.
- 7erläutern unter Verwendung von Zeigerdiagrammen die Änderung der Ergebnisse von Interferenzexperimenten durch Löschen einer bereits vorhandenen Weginformation am Beispiel Quantenradierer.
- 8identifizieren im simulierten Experiment mit einzelnen Photonen im Mach‑Zehnder- Interferometer das Photon als Quantenobjekt. Sie beschreiben unter Verwendung der Fachsprache Aufbau und Durchführung dieses Interferenzexperiments und erläutern kausal korrekt strukturiert die Koinzidenzmethode zur Präparation einzelner Photonen. Sie erklären die Entstehung von Interferenzen durch Analyse der Phasenbeziehungen mit Zeigerdiagrammen.
- 9entnehmen einem vorgegebenen Text zum lichtelektrischen Effekt die Interpretation experimenteller Beobachtungen auf Basis der Lichtquantenhypothese nach Einstein und analysieren die Argumentationsstruktur der Quelle. Sie diskutieren die Bedeutung des Planck’schen Wirkungsquantums als universelle Naturkonstante. Den Impuls des Photons leiten sie aus einer relativistischen Betrachtung ab.
- 10beschreiben die Auswirkungen einer Änderung des Aufbaus eines Experiments während dessen Durchführung auf die Messung. Dabei stellen sie die unterschiedlichen Erwartungen aus klassischer und quantenphysikalischer Sicht gegenüber.
- 11erläutern an ausgewählten Beispielen den Übergang von der quantenphysikalischen zur klassischen Beschreibung von makroskopischen Objekten und bewerten die Übertragbarkeit quantenphysikalischer Betrachtungen auf Alltagssituationen.
- 12prüfen fachliche und außerfachliche Texte mit quantenphysikalischen Bezügen hinsichtlich Fachsprache und Korrektheit und bewerten sie bezüglich ihrer Vertrauenswürdigkeit und der Intention des Autors.
Ein Atommodell der Quantenphysik
6 Kompetenzen
- 1verwenden das Modell des eindimensionalen Potentialtopfs mit unendlich hohen Wänden, um grundlegende Eigenschaften eines Systems mit räumlich eingeschränkten Elektronen zu beschreiben. Auf der Grundlage der Lösungen der stationären Schrödinger-Gleichung skizzieren sie die Wellenfunktionen sowie die zugehörigen Dichten der Aufenthaltswahrscheinlichkeit und schließen auf diskrete Energieniveaus. Zur Lage dieser Energieniveaus stellen sie quantitative Betrachtungen an.
- 2erkunden mithilfe digitaler Simulationen für weitere einfache Potentialverläufe die Form der Wellenfunktionen sowie die Lage der Energieniveaus. Hierbei machen sie auch das Zustandekommen der Atombindung plausibel.
- 3erweitern die Betrachtungen von eindimensionalen Orbitalen auf drei Dimensionen, auch mithilfe von mechanischen Analogien und digitalen Simulationen. Sie beschreiben den Zusammenhang zwischen Quantenzahlen und Struktur der Orbitale am Beispiel des Wasserstoffatoms und entnehmen der Simulation die Energiewerte des Wasserstoffatoms.
- 4verifizieren anhand des Wasserstoffspektrums das dem Modell entnommene Energieniveauschema. Sie übertragen ihre Betrachtungen auf wasserstoffähnliche Systeme und untersuchen dabei die Grenzen der verwendeten Modellierung.
- 5beschreiben Systeme mit mehreren Elektronen durch das Besetzen der Energieniveaus eines einzelnen Elektrons nach dem Pauli-Prinzip und durch das Energieniveauschema der Atomhülle als Ganzes. Sie vergleichen die Aussagen der beiden Darstellungen und erläutern für Atome und weitere quantenphysikalischen Strukturen Beobachtungen zur Emission und Absorption von Strahlung.
- 6erläutern die Funktion der Komponenten des Aufbaus sowie die Durchführung und die Auswertung des Franck‑Hertz-Versuchs. Dabei formulieren sie unter Verwendung der Fachsprache kausal und chronologisch korrekt strukturiert. Sie erläutern die grundlegenden Unterschiede zwischen einer Anregung durch Photonenabsorption und durch Elektronenstöße.
Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie
3 Kompetenzen
- 1erläutern Methoden der Strukturuntersuchung zum Aufbau der Materie und Grundaussagen des Standardmodells. Sie recherchieren selbständig in verschiedenen, auch digitalen Quellen unterschiedlicher Niveaus und wählen für ihre Zwecke passende Quellen aus. Dabei analysieren sie die Darstellungen der Quellen hinsichtlich Argumentationsstruktur, Fachsprache und Relevanz. Sie ordnen die gewonnenen Ergebnisse und bereiten sie unter Verwendung geeigneter digitaler Werkzeuge zu einer Präsentation auf, für die sie geeignete Schwerpunkte setzen und aussagekräftige schematische Darstellungen entwerfen. Dabei belegen sie verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.
- 2präsentieren Möglichkeiten zur Strukturuntersuchung mit Röntgenstrahlung und verwenden dabei geeignete Darstellungsformen. Sie formulieren die an die Röntgenquelle zu stellenden Anforderungen und erläutern mit Informationen aus einem vorgegebenen Text, dass diese mit Synchrotronstrahlung erfüllt werden.
- 3diskutieren am Beispiel der Teilchenphysik den Wert physikalischer Grundlagenforschung für die Gesellschaft und beziehen begründet einen Standpunkt zur Sinnhaftigkeit von Großforschungseinrichtungen.
Kernphysik
10 Kompetenzen
- 1führen quantitative Betrachtungen zur mittleren Bindungsenergie pro Nukleon sowie zu Energie‑ und Impulsbilanzen bei Zerfällen und ausgewählten Beispielen von Kernreaktionen durch. Für die inelastische Streuung von Protonen oder Neutronen am Kern berechnen sie Anregungsenergien und vertiefen so ihr Verständnis des eingeführten Kernmodells.
- 2erläutern ausgehend von der ionisierenden Wirkung der α‑, β‑ und γ‑Strahlung die grundsätzliche Funktionsweise eines Geiger‑Müller-Zählers.
- 3leiten aus einer Differentialgleichung das Zerfallsgesetz her. Bei seiner Interpretation unterscheiden sie zwischen der Halbwertszeit und der mittleren Lebensdauer der Kerne. Sie vergleichen die theoretischen Vorhersagen mit vorgegebenen experimentellen Daten und deuten die Streuung der Messwerte als Folge der stochastischen Natur des radioaktiven Zerfalls.
- 4beurteilen die Eignung des Modells des eindimensionalen unendlich hohen Potentialtopfs zur Beschreibung des Atomkerns. Sie erweitern das Modell unter Berücksichtigung der Eigenschaften der starken bzw. der elektromagnetischen Wechselwirkung und übertragen Aussagen zu Systemen mit mehreren Elektronen auf Kerne mit mehreren Nukleonen. Sie reflektieren Möglichkeiten und Grenzen des Erkenntnisgewinnungsprozesses aus Analogieüberlegungen.
- 5nutzen das eingeführte Kernmodell zur Erklärung der Entstehung von α‑, β‑ und γ‑Strahlung. Im Rahmen der Interpretation vorgegebener Energiespektren dieser Strahlungsarten erläutern sie auch die Bedeutung dieser Spektren für die experimentelle Bestätigung des eingeführten Kernmodells.
- 6wählen im Rahmen von Anwendungen zum radioaktiven Zerfall problembezogen geeignete Größengleichungen zur quantitativen Beschreibung aus und interpretieren ihre Ergebnisse im jeweiligen Sachkontext.
- 7reflektieren vorgegebene Regeln zum Strahlenschutz und formulieren, gestützt auf eigene Modellierungen und Berechnungen, Risikoabschätzungen und Bewertungen. Dabei diskutieren sie auch die Generalisierbarkeit der verwendeten theoretischen Überlegungen und Modellierungen.
- 8entnehmen digitalen Nuklidkarten Eigenschaften von Nukliden und Zerfallsreihen.
- 9reflektieren die Relevanz von Erhaltungssätzen und des Standardmodells für die Erkenntnisgewinnung in der Kern‑ und Elementarteilchenphysik.
- 10erläutern ausgehend vom prinzipiellen Aufbau eines Kernreaktors seine grundlegende Funktionsweise. Vor dem Hintergrund unterschiedlicher Meinungen in der Gesellschaft über Chancen und Risiken der Kernenergienutzung nehmen sie einen eigenen begründeten Standpunkt zu diesem Thema ein, tauschen sich untereinander konstruktiv über die zugrunde liegenden Sachverhalte aus, vertreten und korrigieren gegebenenfalls den eigenen Standpunkt und entwickeln Handlungsoptionen im Hinblick auf die künftige Energieversorgung Deutschlands. Hierfür entnehmen sie Informationen aus verschiedenen, auch selbständig recherchierten digitalen Quellen und beurteilen die Informationen sowie deren Darstellung hinsichtlich Vertrauenswürdigkeit und Relevanz.
Experimentelles Arbeiten
7 Kompetenzen
- 1untersuchen die Lichtintensität hinter zwei Linearpolarisationsfiltern in Abhängigkeit vom Winkel zwischen ihren Polarisationsrichtungen und vergleichen sie mit den theoretischen Vorhersagen. Sie untersuchen und erklären an ausgewählten Beispielen Auftreten und Anwendung polarisierten Lichts in Natur und Technik auch unter Zuhilfenahme selbst recherchierter, digitaler Quellen.
- 2bauen einen vorgegebenen Versuch zur Übertragung eines Audiosignals mit Licht auf und erklären die Funktion der einzelnen Komponenten. Sie entwickeln mithilfe einer passgenauen, vorgegebenen Quelle einen Modellversuch zum Multiplexing.
- 3bestimmen anhand experimentell gewonnener Daten an der Elektronenbeugungsröhre einen Näherungswert für das Planck’sche Wirkungsquantum. Dessen Unsicherheit berechnen sie aus den Unsicherheiten der Eingangsgrößen.
- 4bestimmen beim lichtelektrischen Effekt mit der Gegenfeldmethode einen Näherungswert für das Planck’sche Wirkungsquantum. Sie minimieren die Auswirkungen der Messunsicherheiten, deren Einflüsse sie auch unter Einsatz digitaler Auswerteroutinen quantitativ analysieren.
- 5bauen einen Gitterspektralapparat auf, erläutern die Funktion der Komponenten, kalibrieren ihn mithilfe eines bekannten Spektrums und bestimmen mit ihm die Wellenlängen emittierten Lichts weiterer Gase mithilfe digitaler Inter‑ und Extrapolation des Kalibrierspektrums. Dabei setzen sie sich kritisch mit Fragen der Kalibrierung auseinander.
- 6planen Experimente zur Absorption und Reichweite von β‑ oder γ‑Strahlung und ermitteln aus den Messwerten mithilfe digitaler Werkzeuge die zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten. Bei ihren Ergebnissen unterscheiden sie zwischen Messunsicherheit und Messabweichung.
- 7bestimmen die Art und die Intensität der Strahlung radioaktiver Alltagsmaterialien und ziehen Rückschlüsse auf die von diesen Materialien ausgehende Strahlenbelastung im Alltag. Aufbauend auf ihren Erkenntnissen sowie vorgegebenen Quellen entwickeln sie Handlungsoptionen für einen adäquaten Umgang mit diesen Materialien.
Jahrgangsstufe 13
Grundideen der Quantenphysik
8 Kompetenzen
- 1interpretieren das Betragsquadrat der Wellenfunktion als Nachweiswahrscheinlichkeit. Sie erläutern das Prinzip der Superposition quantenphysikalischer Zustände und die Determiniertheit der zeitlichen Entwicklung der Wellenfunktion.
- 2beschreiben den Aufbau der Elektronenbeugungsröhre und formulieren basierend auf qualitativen Untersuchungen Hypothesen zur Interpretation des Schirmbilds. Zur Überprüfung der Hypothese, dass Elektronen Welleneigenschaften besitzen, planen sie ein weiteres Experiment.
- 3erläutern das grundlegende Prinzip der Komplementarität am Beispiel der Beschreibung eines Quantenobjekts als Welle und Teilchen.
- 4erschließen sich mithilfe einer digitalen Simulation die wesentlichen Eigenschaften des Quantenobjekts Elektron. Dabei folgern sie die Unzulänglichkeit der klassischen Beschreibung sowie die Notwendigkeit der Einführung des Begriffs Quantenobjekt.
- 5schließen anhand experimenteller Daten auf den quantitativen Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge des Quantenobjekts Elektron. Sie bestimmen die Proportionalitätskonstante h unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten.
- 6beschreiben exemplarisch am Doppelspaltexperiment den quantenphysikalischen Messprozess als zufällige Auswahl eines Realität werdenden Zustands. An einem ausgewählten Beispiel erläutern sie die Nicht-Lokalität eines quantenphysikalischen Zustands. Sie vergleichen den quantenphysikalischen mit dem klassischen Messprozess und reflektieren die Problematik der Übertragung von Begriffen aus der Anschauungswelt in die Quantenphysik.
- 7identifizieren mithilfe einer digitalen Simulation des Doppelspaltexperiments das Photon durch Vergleich mit den Eigenschaften des Elektrons als Quantenobjekt.
- 8ermitteln aus der Grenzfrequenz des Röntgenbremsspektrums das Planck’sche Wirkungsquantum als Proportionalitätskonstante zwischen Frequenz und Photonenenergie und folgern die universelle Bedeutung dieser Konstante. Den Impuls des Photons leiten sie aus einer relativistischen Betrachtung ab.
Ein Atommodell der Quantenphysik
6 Kompetenzen
- 1verwenden das Modell des eindimensionalen Potentialtopfs mit unendlich hohen Wänden, um grundlegende Eigenschaften eines Systems mit einem räumlich eingeschränkten Elektron zu beschreiben. Sie skizzieren die Wellenfunktionen sowie die zugehörigen Dichten der Aufenthaltswahrscheinlichkeit und schließen auf diskrete Energieniveaus. Zur Lage dieser Energieniveaus stellen sie quantitative Betrachtungen an.
- 2erkunden mithilfe digitaler Simulationen für weitere einfache Potentialverläufe die Form der Wellenfunktionen sowie die Lage der Energieniveaus. Hierbei machen sie auch das Zustandekommen der Atombindung plausibel.
- 3erweitern die Betrachtungen von eindimensionalen Orbitalen auf drei Dimensionen, auch mithilfe von mechanischen Analogien und digitalen Simulationen. Sie beschreiben den Zusammenhang zwischen Quantenzahlen und Struktur der Orbitale am Beispiel des Wasserstoffatoms und entnehmen der Simulation die Energiewerte des Wasserstoffatoms.
- 4verifizieren anhand des Wasserstoffspektrums das dem Modell entnommene Energieniveauschema.
- 5erläutern für beliebige Atome Beobachtungen zu Emission und Absorption von Strahlung mithilfe des vorgegebenen Energieniveauschemas der Atomhülle als Ganzes.
- 6erläutern die Funktion der Komponenten des Aufbaus sowie die Durchführung und die Auswertung des Franck‑Hertz-Versuchs. Dabei formulieren sie unter Verwendung der Fachsprache kausal und chronologisch korrekt strukturiert. Sie erläutern die grundlegenden Unterschiede zwischen einer Anregung durch Photonenabsorption und durch Elektronenstöße.
Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie
2 Kompetenzen
- 1erläutern Methoden der Strukturuntersuchung zum Aufbau der Materie und Grundaussagen des Standardmodells. Sie recherchieren selbständig in verschiedenen, auch digitalen Quellen unterschiedlicher Niveaus und wählen für ihre Zwecke passende Quellen aus. Dabei analysieren sie die Darstellungen der Quellen hinsichtlich Argumentationsstruktur, Fachsprache und Relevanz. Sie ordnen die gewonnenen Ergebnisse und bereiten sie unter Verwendung geeigneter digitaler Werkzeuge zu einer Präsentation auf, für die sie geeignete Schwerpunkte setzen und aussagekräftige schematische Darstellungen entwerfen. Dabei belegen sie verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.
- 2diskutieren am Beispiel der Teilchenphysik den Wert physikalischer Grundlagenforschung für die Gesellschaft und beziehen begründet einen Standpunkt zur Sinnhaftigkeit von Großforschungseinrichtungen.
Kernphysik
8 Kompetenzen
- 1erläutern ausgehend von der ionisierenden Wirkung der α‑, β‑ und γ‑Strahlung die grundsätzliche Funktionsweise eines Geiger‑Müller-Zählers.
- 2führen quantitative Betrachtungen zur mittleren Bindungsenergie pro Nukleon und zu Energiebilanzen bei Zerfällen und ausgewählten Beispielen von Kernreaktionen durch.
- 3erläutern unter Zuhilfenahme geeigneter Software anhand vorgegebener experimenteller Daten zum radioaktiven Zerfall das Zerfallsgesetz und deuten die Streuung der Messwerte als Folge der stochastischen Natur des radioaktiven Zerfalls.
- 4beurteilen die Eignung des Modells des eindimensionalen unendlich hohen Potentialtopfs zur Beschreibung des Atomkerns. Sie erweitern das Modell unter Berücksichtigung der Eigenschaften der starken und der elektromagnetischen Wechselwirkung sowie den Eigenschaften der Nukleonen als Quantenobjekte. Sie reflektieren Möglichkeiten und Grenzen des Erkenntnisgewinnungsprozesses aus Analogieüberlegungen.
- 5nutzen das eingeführte Kernmodell zur Erklärung der Entstehung von α‑, β‑ und γ‑Strahlung. Im Rahmen der Interpretation vorgegebener Energiespektren dieser Strahlungsarten erläutern sie auch die Bedeutung dieser Spektren für die experimentelle Bestätigung des eingeführten Kernmodells. Dabei ergänzen sie exemplarisch die Energiebetrachtungen durch qualitative Impulsbetrachtungen.
- 6wählen im Rahmen von Anwendungen zum radioaktiven Zerfall problembezogen geeignete Größengleichungen zur quantitativen Beschreibung aus und interpretieren ihre Ergebnisse im jeweiligen Sachkontext.
- 7reflektieren vorgegebene Regeln zum Strahlenschutz und formulieren, gestützt auf eigene Modellierungen und Berechnungen, Risikoabschätzungen und Bewertungen. Dabei diskutieren sie auch die Generalisierbarkeit der verwendeten theoretischen Überlegungen und Modellierungen.
- 8erläutern ausgehend vom prinzipiellen Aufbau eines Kernreaktors seine grundlegende Funktionsweise. Vor dem Hintergrund unterschiedlicher Meinungen in der Gesellschaft über Chancen und Risiken der Kernenergienutzung nehmen sie einen eigenen begründeten Standpunkt zu diesem Thema ein, tauschen sich untereinander konstruktiv über die zugrunde liegenden Sachverhalte aus, vertreten und korrigieren gegebenenfalls den eigenen Standpunkt und entwickeln Handlungsoptionen im Hinblick auf die künftige Energieversorgung Deutschlands. Hierfür entnehmen sie Informationen aus verschiedenen, auch selbständig recherchierten digitalen Quellen und beurteilen die Informationen sowie deren Darstellung hinsichtlich Vertrauenswürdigkeit und Relevanz.
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Häufige Fragen
Lehrplan Physik – Gymnasium Bayern
Wie viele Kompetenzen umfasst der Lehrplan Physik für Gymnasium in Bayern?+
Der Lehrplan Physik am Gymnasium in Bayern umfasst 296 Kompetenzen, gegliedert in 42 Lernbereiche über 10 Jahrgangsstufen.
Welche Lernbereiche deckt Physik am Gymnasium in Bayern ab?+
Zu den Lernbereichen gehören unter anderem: Elektrischer Strom, Optik, Mechanik, Profilbereich am NTG, Energie als Erhaltungsgröße, Atome, Wärmelehre, Profilbereich am NTG und weitere.
Wie plane ich eine Unterrichtsstunde Physik passend zum Lehrplan?+
Mit Didoria wählst du einen Lernbereich aus diesem Lehrplan und erhältst in Minuten eine fertige, lehrplankonforme Unterrichtsstunde mit Lernzielen, Phasen und Methoden.
Ist dieser Lehrplan Physik aktuell?+
Ja. Die Kompetenzen und Lernbereiche folgen dem gültigen Lehrplan für Physik am Gymnasium in Bayern.