Physik

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Auszug aus dem schulinternen Lehrplan für das Fach Physik

1: Vorwort
Naturwissenschaftlicher Unterricht an der Fritz-Winter-Gesamtschule bedeutet Lernen von und mit der Natur. Wir führen die Schülerinnen und Schüler schrittweise an die spezifischen Denk- und Arbeitsweisen des Faches Physik heran. Dabei greifen wir die Vorstellungen und Interessen der Schülerinnen und Schüler in einem problem- und handlungsorientierten Unterricht auf.

Die Physik verfolgt das Ziel, grundlegende Gesetzmäßigkeiten der Natur zu erkennen und zu erklären. Dazu ist es notwendig, Wirkungszusammenhänge in natürlichen und technischen Phänomenen präzise zu modellieren, um auf dieser Basis Vorhersagen zu treffen. Empirische Überprüfungen der Modelle und ihrer Vorhersagen durch Experimente und Messungen sind charakteristische Bestandteile einer spezifisch naturwissenschaftlichen Erkenntnismethode und einer besonderen Weltsicht. Im Physikunterricht finden die Schülerinnen und Schüler vielfältige Anlässe, interessante natürliche und technische Phänomene unter eigenen Fragestellungen zu erkunden und physikalische Modelle zur Erklärung zu nutzen. Sie erkennen, wie Ergebnisse der Physik in nicht unerheblichem Maße ihre Lebenswelt formen und verändern. Sie gewinnen ein grundlegendes physikalisches Verständnis ihrer Lebenswelt, insbesondere auch zur Bewältigung technischer Alltagsprobleme.

2: Kompetenzbereiche
In naturwissenschaftlichen Arbeitsprozessen werden meist Kompetenzen aus mehreren, nicht immer scharf voneinander abzugrenzen Bereichen benötigt. Der Kernlehrplan unterscheidet folgende vier Kompetenzbereiche wobei für jedes Inhaltsfeld eine konkretisierte Kompetenzerwartung formuliert ist:

  • Umgang mit Fachwissen

Der Kompetenzbereich Umgang mit Fachwissen bezieht sich auf die Fähigkeit von Schülerinnen und Schülern, zur Lösung von Aufgaben und Problemen fachbezogene Konzepte auszuwählen und zu nutzen. Ein Verständnis ihrer Bedeutung einschließlich der Abgrenzung zu ähnlichen Konzepten ist notwendig, um Wissen in variablen Situationen zuverlässig einsetzen zu können. Schülerinnen und Schüler können bei fachlichen Problemen besser auf ihr Wissen zugreifen, wenn sie dieses angemessen organisieren und strukturieren. Gut strukturierte Wissensbestände erleichtern ebenfalls die Integration und Vernetzung von neuem und vorhandenem Wissen.

  • Erkenntnisgewinnung    

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

  • Kommunikation

Der Kompetenzbereich Kommunikation beschreibt erforderliche Fähigkeiten für einen produktiven fachlichen Austausch. Kennzeichnend dafür ist, mit Daten und Informationsquellen sachgerecht und kritisch umzugehen sowie fachsprachliche Ausführungen in schriftlicher und mündlicher Form verstehen und selbst präsentieren zu können. Dazu gehört auch, gebräuchliche Darstellungsformen wie Tabellen, Graphiken und Diagramme zu beherrschen sowie bewährte Regeln der fachlichen Argumentation einzuhalten. Charakteristisch für die Naturwissenschaften sind außerdem das Offenlegen eigener Überlegungen bzw. die Akzeptanz fremder Ideen und das Arbeiten in Gemeinschaften und Teams.

  • Bewertung

Der Kompetenzbereich Bewertung bezieht sich auf die Fähigkeit, überlegt zu urteilen. Dazu gehört, Kriterien und Handlungsmöglichkeiten sorgfältig zusammenzutragen und gegeneinander abzuwägen. Auf dieser Grundlage ist es möglich, Entscheidungen zu finden und dafür zielführend zu argumentieren und Position zu beziehen. Für gesellschaftliche und persönliche Entscheidungen sind diesbezüglich die Kenntnis und Berücksichtigung von normativen und ethischen Maßstäben bedeutsam, nach denen Interessen und Folgen naturwissenschaftlicher Forschung beurteilt werden können.

3: Themen-/Inhaltsbereiche

  • Sonnenernergie und Wärme
    (Sonne und Jahreszeiten, Temperatur und Wärme; Wetterphänomene; Energie von der Sonne;Sonne, Wetter und Jahresrhythmik; Wettervorhersagen und Wetterschutz, …)

Erfahrungen mit Wärme und Sonnenstrahlung im Ablauf der Jahreszeiten gehören zu den elementaren Begegnungen mit der natürlichen Welt. Hier spielen bedeutende energetische Vorgänge eine Rolle, etwa Mechanismen des Wärmetransports und der Energieumwandlung, die zu messbaren Temperaturänderungen führen. Wärmephänomene können mit einfachen Teilchen- und Wechselwirkungsmodellen in Ansätzen beschrieben werden. Auf dieser Grundlage lassen sich auch die Jahreszeiten und in ihnen auftretende Wettererscheinungen erklären, die in einem größeren Maßstab unser Klima beeinflussen. Kenntnisse dieser Vorgänge bilden die Basis für einen verantwortlichen Umgang mit Energie.

  • Sinneswahrnehmungen mit Licht und Schall
    (Lichtausbreitung und Sehen; Töne und Schallentstehung; Wahrnehmen und Messen; Musik und Musikinstrumente; Sicher im Straßenverkehr; Kino; …)

Licht und Schall vermitteln über die Sinne wesentliche Informationen aus unserer Umwelt. Die Funktion von Sinnesorganen lässt sich mit physikalischen Konzepten und Modellen zum Charakter und zur Ausbreitung von Licht und Schall und Wechselwirkungen mit den entsprechenden Organen erklären. Augen und Ohren ermöglichen eine präzise Orientierung in der Welt, haben aber auch ihre Grenzen, die am Beispiel optischer Täuschungen demonstriert werden können. Hierdurch ergibt sich in den Naturwissenschaften und insbesondere in der Physik die Frage nach der Zuverlässigkeit von Beobachtungen und nach objektiven Messverfahren, die von individuellen Sinneswahrnehmungen weitgehend unabhängig sind.

  • Kräfte und Körper
    (Eigenschaften von Körpern; Magnetische Kräfte und Magnetfelder; Kraftwirkungen und Hebel; Auf den richtigen Werkstoff kommt es an; Orientierung mit dem Kompass; Werkzeuge und ihre Wirkungen; …)

Wechselwirkungen zwischen Objekten bzw. Körpern werden meist durch Kräfte zwischen ihnen bestimmt. Magnetismus als eine besondere Stoffeigenschaft führt dabei zu spezifischen Wechselwirkungen über Fernwirkungskräfte. Die Physik nutzt einen Kraftbegriff, der sich teilweise von Alltagsvorstellungen der Schülerinnen und Schüler erheblich unterscheidet. Das Vorhandensein von Kräften kann an ihren Wirkungen erkannt werden, über diese Wirkungen wiederum lassen sich Kräfte messen und vergleichen. Erste Kenntnisse über Hebelwirkungen und Kräftegleichgewichte lassen sich zum Verständnis und zur Anwendung mechanischer Vorgänge in Natur und Technik nutzen.

  • Elektrizität und ihre Wirkungen
    (Stromkreis und Schaltungen; Wirkungen elektrischen Stroms; Elektromagnete; Elektrische Geräte erleichtern den Alltag; Elektrische Beleuchtung; …

Elektrische Geräte und elektrische Schaltungen begleiten das tägliche Leben. Elektrizität wird dabei über grundlegende Phänomene wie Entladungen und über die unterschiedlichen Wirkungen des elektrischen Stroms erfahrbar. Die Kenntnis dieser Wirkungen und einfache Modelle für ihre Ursachen helfen dabei, alltägliche elektrische Geräte unter Beachtung energetischer Aspekte verstehen und sicher nutzen zu können. Ein Bewusstsein für die Gefährdung durch elektrischen Stromschlag ist lebenswichtig und ermöglicht einen sachgerechten Umgang mit Elektrizität

  • Optische Instrumente
    (Abbildungen mit Linsen und Spiegeln; Linsensysteme; Licht und Farben; Sehhilfen für nah und fern; Kameras und Projektoren; Die Welt der Farben; …)

Optische Instrumente ermöglichen einen tieferen Einblick in den Aufbau des Universums und ebenso in detaillierte Strukturen der Materie, die mit bloßem Auge nicht sichtbar wären. Kenntnisse der Lichtbrechung bilden die notwendige Grundlage für das Verständnis der Funktionsweise des menschlichen Auges, einfacher Instrumente wie Brillen, Kameras und Projektoren, der Entstehung von Farben und der Anwendung moderner optischer Verfahren der Datenübertragung. Die Geschichte des Gebrauchs optischer Instrumente lässt erkennen, dass sich technische Entwicklung und Fortschritte in Gesellschaft und Wissenschaft wechselseitig konstruktiv beeinflussen.

  • Erde und Weltall
    (Himmelsobjekte; Modelle des Universums;Teleskope
    ; Veränderung von Weltbildern; Die Erde im Weltall; Die Erforschung des Himmels;…)

Fragen zur Entstehung und zum Aufbau des Universums und des Sonnensystems haben die Auseinandersetzung mit Gesetzmäßigkeiten der Natur in allen Epochen der Menschheit wesentlich beflügelt. Klassifikationsschemata ordnen die unüberschaubare Vielfalt der Objekte des Himmels wie Galaxien, Sterne und Planeten, Entwicklungsmodelle erklären deren Entstehung und ihr Zusammenwirken. Eine der erstaunlichsten menschlichen Leistungen ist die Fähigkeit, selbst über unerreichbar ferne Objekte und weit zurückliegende Zeiten Erkenntnisse gewinnen zu können. Beim Vergleich unterschiedlicher, historisch bedingter Weltbilder werden Rahmenbedingungen, Grenzen und Veränderungen naturwissenschaftlicher Vorstellungen und die Rolle der Physik besonders deutlich.

  • Stromkreise
    (Spannung und Ladungstrennung; Stromstärke und elektrischer Widerstand; Gesetze des Stromkreises; Elektroinstallation und Sicherheit im Haus; Energiesparen; Blitze und Gewitter;…)

Ohne Elektrizität ist ein Leben in unserer Gesellschaft undenkbar. Die Nutzung von Elektrizität geschieht mit Geräten, in denen unterschiedliche Stromkreise für jeweils spezifische Funktionen eingesetzt werden. Für die Beschreibung und das Verständnis solcher verzweigter oder unverzweigter Stromkreise und für eine sichere Vorhersage der Vorgänge in ihnen sind Kenntnisse des Zusammenwirkens elektrischer Grundgrößen wie Spannung, Strom und Widerstand erforderlich.
Auf dieser Basis ist es möglich, sachgerecht, sicher und kompetent mit Elektrizität umzugehen. Modellvorstellungen vom elektrischen Strom vermitteln notwendige Einsichten in elektrische Vorgänge, deren Verständnis im Alltag hilfreich und in elektro- und informationstechnischen Berufsfeldern unabdingbar ist.

  • Bewegung und ihre Ursachen
    (Bewegung; Kraft und Druck; Auftrieb; Satelliten und Raumfahrt; Sicherheit im Verkehr; Physik und Sport; Tauchen; Arbeit in einer Raumstation;…)

Mobilität gilt als Voraussetzung von und als Kennzeichen für gesellschaftlich-ökonomischen Fortschritt. Das Verständnis zentraler Konzepte zur Beschreibung von Bewegungen und von Kräften zur Erklärung der Ursachen für Bewegungsänderungen ist damit als notwendiges Basiswissen in einer modernen Welt zu sehen. Es wird nicht nur in naturwissenschaftlich technischen Berufsfeldern benötigt, sondern kommt auch in vielfältigen Alltagssituationen, etwa beim Einschätzen von Verkehrssituationen oder bei der Wahl geeigneter Transportmittel, zur Anwendung. Eine besondere Bedeutung für Forschung und Technologie besitzt heute die Raumfahrt.

  • Energie, Leistung, Wirkungsgrad
    (Kraft, Arbeit und Energie; Maschinen und Leistung; Energieumwandlung und Wirkungsgrad; Werkzeuge und Maschinen erleichtern die Arebit; Kräfte schonen; Energie sparen; im Fitnessstudio;…)

Die Nutzung und Umwandlung von Energie bestimmt naturwissenschaftlich-technische Vorgänge, Alltagsituationen, aber zunehmend auch politische und wirtschaftliche Zusammenhänge. Schon in der Antike setzten die Menschen Maschinen ein, um Arbeitskraft zu ersetzen. Im Zuge der Industrialisierung wurde es dann unumgänglich, Arbeit und Leistung quantifizierbar zu machen. Der Energiebegriff geht jedoch weit über die mechanischen Energieformen hinaus und verbindet die einzelnen Gebiete der Physik miteinander. Ein Verständnis der Energieentwertung und des Wirkungsgrades ist wichtig, um die weltweit diskutierte Energieproblematik zu verstehen, sich sachverständig einzubringen und energiebewusst zu handeln.

  • Elektrische Energieversorgung

(Elektromagnetismus und Induktion; Elektromotor und Generator; Kraftwerke und Nachhaltigkeit; Stromversorgung einer Stadt; Elektrofahrzeuge; Energiequellen und Umweltschutz; …)

Durch die Nutzbarmachung der elektrischen Energie haben sich die Lebens-und Arbeitsverhältnisse der Menschen in unserer Gesellschaft grundlegend verändert. Die Sicherung der elektrischen Energieversorgung berührt damit zentrale Handlungsfelder, die heute nicht nur aus einer physikalisch-technischen Sicht intensiv diskutiert werden. Sachkenntnisse in den Bereichen Energiebereitstellung, elektromagnetische Energieumwandlung und elektrischer Energietransport bieten die Grundlage, sich in seinem Verhalten – etwa bei der Nutzung von regenerativen Energiequellen – langfristig auf notwendige Veränderungen einstellen zu können. Sie sind auch Voraussetzung zur Beteiligung am gesellschaftlichen Diskurs über Formen einer zukünftigen Energieversorgung.

  • Radioaktivität und Kernenergie

(Atomkerne und Radioaktivität; Ionisierende Strahlung; Kernspaltung; Kernkraftwerke und Entsorgung; Strahlung in Medizin und Forschung; Die Geschichte der Kernspaltung;…)

Die Verwendung von Radioaktivität und Kernenergie in der Medizin bzw. in der Energiewirtschaft und im militärischen Bereich hat nachhaltige Konsequenzen für den Einzelnen und die Gesellschaft. Grundlegendes Wissen über Strahlungsarten und ihre Wirkungen sowie zur Kernspaltung und zum Betrieb von Kernkraftwerken muss vorhanden sein, um in der gesellschaftlichen Energiediskussion Nutzen und Risiken des Einsatzes der Kernenergie begründet abschätzen und Position beziehen zu können. Dabei stellt sich auch die Frage nach der ethischen Verantwortung von Naturwissenschaftlern und insbesondere Physikern.

Auszug aus dem schulinternen Lehrplan für Physik in der gymnasialen Oberstufe

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Themen-/Inhaltsbereiche in der gymnasialen Oberstufe

Jahrgangsstufe 11 / Einführungsphase

  • Kinematik: gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegung, Durchschnitts- und Momentangeschwindigkeit, freier Fall, Wurfbewegungen
  • Dynamik: Trägheitssatz, Masse, Kraft, Impuls, Wechselwirkungskräfte, mechanische Energieformen, Erhaltungssätze für Impuls und Energie, Stoßvorgänge
  • Kreis- und Drehbewegungen: Kreisfrequenz, Zentripetalbeschleunigung, Zentripetalkraft, Rotationsenergie, Trägheitsmoment, Drehimpuls, Drehmoment, Drehimpulserhaltungssatz
  • Gravitation: Keplersche Gesetze, Gravitationsgesetz, Feldkonzept, Gravitationsfeldstärke, Potentielle Energie
  • Mechanische Schwingungen: Schwingungsvorgänge und Schwingungsgrößen, harmonische Schwingungen
  • Mechanische Wellen: Entstehung und Ausbreitung von Transversal- und Longitudialwellen, Beugung (Q1), Interferenz von Wellen (Q1)

Jahrgangsstufen 12 und 13 / Qualifikationsphasen I und II:

  • Elektrodynamik: Elektromagnetische Induktion, Induktionsspannung, Transformator, Lenz’sche Regel, Erzeugung von sinusförmigen Wechselspannungen, Energieerhaltung, Ohmsche „Verluste“
  • Quantenobjekte: Bewegung von Ladungsträgern in homogenen E- und B-Feldern, Lorenzkraft, Lichtwellenlänge, Lichtfrequenz, Huygens`sches Prinzip, Kreiswellen, ebene Wellen, Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz, Streuung von Elektronen an Festkörpern, de Broglie-Wellenlänge, Licht und Materie
  • Strahlung und Materie: Spektrum der elektromagnetischer Strahlung, Energiequantelung in der Atomhülle, Ionisierte Strahlung, Kernumwandlung, Standartmodel der Elementarteilchen,
  • Relativität von Raum und Zeit: Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilation, Veränderlichkeit der Masse, Energie-Masse Äquivalenz