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Physik

Physik-S1

Unterrichtsinhalte Physik

 

Sekundarstufe I (Stand Nov. 2005)

 

PHYSIK

 

LEHRPLAN:

 

SEKUNDARSTUFE I

 

 

Der Physikunterricht wird am Görres-Gymnasium in der Sekundarstufe I  nach den gültigen Richtlinien, die durch einen schulinternen Lehrplan ergänzt werden, in den  Klassen  6, 8, 9 und 10  mit jeweils zwei Wochenstunden erteilt.

Neben einem Hörsaal für Demonstrationsversuche steht ein Übungsraum zur Verfügung, in dem die Schülerinnen und Schüler in kleinen Gruppen Experimente planen, ausführen und auswerten können.

 

 

Sachgebiete für die Jahrgangsstufe 6

 

A.   Temperatur und Energie

 

A.1 Volumen und Längenänderung bei Erwärmung und Abkühlung

A.2 Das Thermometer, Temperaturmessung

A.3 Einführung des Energiebegriffs

A.4 Energieübergang zwischen Körpern verschiedener Temperatur

 

 

B.   Elektrischer Strom

 

B.1 Stromkreise

B.2 Leiter und Isolatoren

B.3 Die Fahrradbeleuchtung

B.4 Dauermagnete und Elektromagnete

B.5 Nennspannungen von elektrischen Quellen und Verbrauchern

B.6 Wärmewirkung des elektrischen Stroms; Anwendungen

B.7 Elektrischer Strom und Energie; Energiewandler

B.8 Elektrische Geräte mit Thermostat

 

 

C.   Das Licht

 

C.1 Licht und Sehen

C.2 Lichtquellen und Lichtempfänger

C.3 Geradlinige Ausbreitung des Lichts; Strahlenmodell

 

 

D.   Speicherung, Transport und Entwertung von Energie

 

D.1 Speicherung und Transport der Energie

D.2 Entwertung von Energie

D.3 Energie und Umwelt

 

 

 

 

Vereinbarungen und Beschlüsse

Der Unterricht in der Stufe 6 beginnt in der Regel mit der Behandlung eines der Sachgebiete “Temperatur und Energie” oder “Licht”.

Wird das Sachgebiet “Licht” als Einführungsthema gewählt, so muss der

Unterricht mit dem Sachgebiet “Temperatur und Energie” fortgeführt werden, weil hier die Erarbeitung einer reduzierten Vorstellung des Energiebegriffs möglich ist, die bei der Behandlung der übrigen Sachgebiete aufgegriffen und erweitert werden soll.

Das Sachgebiet D kann zur Festigung und Vertiefung der Kenntnisse aus den drei bereits behandelten Sachgebieten dienen und diese unter den Aspekten Speicherung, Transport und Entwertung von Energie verknüpfen.

 

Organisations- und Rahmenbedingungen

Fächerübergreifendes Arbeiten wird erleichtert, wenn der Unterricht in den Fächern Mathematik und Physik in den Klassen der Jahrgangsstufen 6 und 8 jeweils von einem Fachlehrer erteilt wird.

Unter dieser Voraussetzung oder nach Absprache der Fachlehrer kann z. B. das Reflexionsgesetz in der Stufe 6 mit der Einführung und Anwendung des Winkelbegriffs im Fach Mathematik gekoppelt werden.

 

Vorkenntnisse der Schüler aus dem Biologieunterricht:

Nährstoffe als Energiespeicher

Benutzung der Einheit (1Joule)

Wandlung, Entwertung und Speicherung von Energie

 

Möglichkeiten zu fächerübergreifendem Arbeiten:

 

Physik:                                               Biologie:

 

Reduzierte Vorstellung                     Sonne als Energiequelle

von Energie:                                      Photosynthese

Ein Körper enthält dann                   Stärke als Energieträger

Energie, wenn er die                         Wärmehaushalt des Körpers       

Erwärmung eines zweiten                Energietransportketten mit    

Gegenstandes bewirken kann.        Pflanzen als Wandler bzw.           

Wandlung von Energie im                Speicher von Energie                 

elektrischen Stromkreis                                        

Speicherung, Transport und

Entwertung von Energie

Energiewandlungsketten          

 

 

Sachgebiete für die Jahrgangsstufe 8

A.   Elektrizität
A.1 Wirkungen des elektrischen Stromes
A.2 Elektrische Ladung
A.3 Stromstärke und Ladung
A.4 Die elektrische Quelle
A.5 Der elektrische Verbraucher

B.   Strahlenoptik
B.1 Licht an Grenzflächen
B.2 Optische Linsen
B.3 Der Sehvorgang; optische Instrumente

 



 

Vereinbarungen und Beschlüsse

 

Die Reihenfolge, in der die Sachgebiete “Elektrizität” und “Optik” behandelt werden, ist grundsätzlich der Entscheidung des Fachlehrers überlassen. Doch sollten die Lehrer der drei Parallelklassen zu Absprachen über die Sachthemenfolge kommen, um Engpässe beim Einsatz von Demonstrations- und Schülerübungsgeräten zu vermeiden.

 

Vorkenntnisse aus dem Chemieunterricht der Jahrgangsstufe 7

Teilchenvorstellung und ihre Anwendung:

Temperaturänderungen als messbare Effekte für die Intensität der Teilchenbewegung

Modellhafte Deutung der Aggregatzustände und ihrer Übergänge

( Ein einfaches Kugelmodell genügt  s. Richtl. Chemie )

Definition der Größen Masse und Dichte

Energieumsätze 

Energiefluss bei chemischen Reaktionen

Energiefluss ( Wärme / Licht )

Unterscheidung von System und Umgebung

Umkehrbarkeit der Reaktionen durch Ändern der Energieflussrichtung

( Exotherme und endotherme Reaktionen )

 

 

Information über den Stand der Begriffsbildung im Fach Physik für die Chemielehrer der Jahrgangsstufe 9

 

Elektrische Ladungen

Über die Wechselwirkungen zwischen Ladungen haben die Schüler erfahren, dass es zwei Arten von Ladungen gibt.

Sie wissen, dass man einem Körper elektrische Ladung in Portionen zuführen und wegnehmen kann, dass sich gleiche Mengen positiver und negativer Ladung neutralisieren und dass ein neutraler Körper positive und negative Ladungen enthält, die man teilweise trennen kann.

 

Elektronenvorstellung und atomarer Aufbau der Materie

Es wird eine Vorstellung von Atomen geprägt, die sich auf solche Eigenschaften beschränkt, die allen Atommodellen gemeinsam sind.

Die Bausteine dieser Atome sind positiv geladene Atomkerne und negativ geladene Elektronen. Die positiven Ladungsträger im Atomkern sollten schon als Protonen bezeichnet werden und es sollte bekannt sein, dass sich Atome elektrisch neutral verhalten, wenn die Protonenzahl mit der Anzahl der Elektronen in der Hülle übereinstimmt.

Mit diesem Modell kann der Ladungszustand eines Körpers durch das Überwiegen der entsprechenden Ladungsträger erklärt werden und es ergeben sich Erklärungen für Ladungstrennung und Influenz. Schließlich kann der elektrische Strom in metallischen Leitern als Elektronenfluss gedeutet werden.

 

Stromstärke ( Grundgrößen und abgeleitete Größen )

Ein Beispiel für die Einführung der Stromstärke als Grundgröße wird auf Seite 30 des eingeführten Lehrbuches dargestellt.

( Cornelsen Verlag, Berlin / Physik für Gymnasien / Gesamtband )

Die elektrische Ladung wird nach Empfehlung der Fachkonferenz als abgeleitete Größe eingeführt und ( vorläufig ) durch die Gleichung Q = I * t   definiert.

 

Spannung

Eine quantitative Definition des Begriffs Spannung erfolgt frühestens nach einer quantitativen Definition der Energie im Verlauf der Jahrgangsstufe 9. Auch eine vorläufige Definition über Normalelemente unterbleibt und mit dem Begriff wird die folgende Vorstellung verknüpft:

‘Die Spannung U gibt an, wie stark jedes Elektron auf seinem Weg durch die Quelle angetrieben wird. Zum Antreiben der Elektronen ist Energie nötig. Sie wird in den Elektrogeräten umgewandelt und z.B. in Form von Licht und Wärme abgegeben.

Die Einheit der Spannung ist 1 Volt ( 1V ).’   ( Cornelsen: Physik für Gymnasien )



Sachgebiete für die Jahrgangsstufe 9

A.   Die Kraft

A.1 Kräfte und ihre Wirkungen
      Beschreibung der Kräfte durch Betrag und Richtung

      Einführung von Kraftpfeilen

 

A.2 Zusammenwirken von Kräften

      Ermittlung von Betrag und Richtung der Ersatzkraft von zwei

      Kräften mit Hilfe eines Kräfteparallelogramms


A.3 Gewichtskraft und Masse

     ( Die im Fach Chemie eingeführten Begriffe ‘Masse’ und  

       ‘Dichte’ werden erweitert und vertieft behandelt )


A.4 Anwendungen mit Kräften

     ( Hebeltypen und Hebelgesetz )

     ( Experimentelle Untersuchung und quantitative Formulierung )

 

     Freigestellt wird die Behandlung von Wellrad und Getriebe

B.   Der Druck

B.1 Der Kolbendruck
     Definition und Einheiten

     Druck in eingeschlossenen Flüssigkeiten und Gasen und seine

     Deutung mit Hilfe des Teilchenmodells

     Boyle- Mariotte -Gesetz

     Anwendungen ( z. B. : Berechnungen zu Hebebühnen )

    

B.2 Der Schweredruck
     Deduktion des Gesetzes p = p g h und seine experimentelle

     Überprüfung

     Hydrostatischer Druck und Luftdruck

 

B.3 Auftrieb in Flüssigkeiten
     Deduktive Herleitung des Archimedischen Prinzips und seine

     experimentelle Bestätigung

 

     Nicht obligatorisch:     B.4* Auftrieb in Gasen

C.   Energie, Arbeit, Leistung

C.1 Mechanische Energie und Arbeit

     Vereinfachte Definition der Arbeit ( W = F s ) und ihre Einheiten

     Hubarbeit und Lageenergie
     Weitere mechanische Energieformen und ihre Wandlung

     Einfluss von Reibung

    

C.2 Die mechanische Leistung
     Definition und Anwendungen


D.   Innere Energie


D.1 Energieerhaltung und innere Energie
     Experimente, die das Postulat der Energieerhaltung nahe legen

     Reibungsarbeit und innere Energie

     Temperatur und Temperaturskalen ( Spiralprinzip: s. Stufe 6 )

     Die Gleichung für die innere Energie eines Körpers kennen und

     anwenden können     

 

D.4 Energieentwertung

     ( Das Thema kann auch an geeigneter Stelle im Halbjahr 10.1 behandelt werden. )



Nicht obligatorisch:    D.2* Schmelzwärme, Verdampfungswärme
                                   D.3* Wärmekraftmaschinen, Wärmepumpen

 

 

Sachgebiete für die Jahrgangsstufe 10

 

E.   Elektrische Energie

E.1 Elektrische Energie und Leistung;
     Wandlung elektrischer Energie in Stromkreisen

     Definition der elektrischen Spannung

     P = U I

 

E.2 Verzweigte und unverzweigte Stromkreise
     Experimentelle Herleitung der Kirchhoffschen Gesetze

     Berechnung von Ersatzwiderständen in verzweigten und  

     unverzweigten Stromkreisen

 

E.3 Elektromotor und Generator

     Kraft auf eine(n) stromdurchflossene(n) Leiter/ Spule im

     Magnetfeld

     Gleichstrommotor

     Wechselstromgenerator

    

E.4 Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie

F.   Der Schall; Schwingungen und Wellen

F.1 Schallquellen, Schwingungen

F.2 Schallempfänger, Resonanz

F.3 Schallausbreitung, Wellen

 

 

G.   Radioaktivität und Kernenergie

G.1 Der Aufbau der Atomkerne
         

G.2 Ionisierende Strahlung

G.3 Medizinische Anwendungen; Strahlenschäden und Strahlenschutz

G.4 Energie aus Kernkraftwerken

 

 

Möglichkeiten zu fachübergreifendem Lernen

 

 Chemie in den Stufen 9/10                Biologie in der Stufe 9   

 

 Stoffmengenbezogene Energie-        Mensch/ Stoffwechsel,

 umsetzungen                                     Stofftransport und

 Energiebetrachtungen bei                  Energieumsatz

 Elektrolysen

 Energieabführung durch                    Energiespeicherung

 elektrischen Strom                             Energieentwertung

 Periodensystem    

 ( Kernbausteine / Schalenmodell)      Kohlenhydrate

 chemische Arbeit

 Brennstoffe

 

 

 

 

 

 

 

Physik-S2

Unterrichtsinhalte Physik

 

Sekundarstufe II (Stand Nov. 2005)

 

 

PHYSIK

 

LEHRPLAN:
SEKUNDARSTUFE II

 

Absprache über den Rahmen von Unterrichtssequenzen und zu den fachspezifischen Grundlagen der Jahrgangsstufe 11 mit Präzisierung der fachlichen Obligatorik. (Fachkonferenz PHYSIK,20.09.1999)

 

Grundkurssequenz

 

Einführungsphase

 

Jahrgangsstufe 11

 

Kontext: Teilnahme am Straßenverkehr

 

Mechanik

 

Kinematik

Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung

(Bezugssysteme/ Grundgrößen: Lange, Zeit/ Abgeleitete Größen)

Wurfbewegungen / Überlagerungsprinzip

Kreisbewegung

 

Dynamik

Masse, Trägheit, Trägheitssatz

Kraft, Grundgleichung der Mechanik

Impuls, lmpulserhaltungssatz, Wechselwirkungsprinzip

Zentripetalkraft, Kreisbewegung

 

Energie und Arbeit

Lageenergie und Hubarbeit

Bewegungsenergie und Beschleunigungsarbeit

(Spannenergie und Spannarbeit)

Reibungsarbeit, Energieentwertung

Energiebilanzierung bei Übertragung und Umwandlung - Erhaltung und Entwertung

(Stoßvorgänge)

 

 

Kontext: Auf der Spur des Elektrons

 

Ladungen und Felder

elektrisches Feld. elektrische Feldstärke E

potentielle Energie im elektrischen Feld, Spannung, (Potential)

elektrische Feldkonstante

elektrische Kapazität

Dielektrikum

 

Qualifikationsphase

---------

Jahrgangsstufe 12

 

Kontext:          Auf der Spur des Elektrons ( Fortsetzung)

 

Magnetisches Feld, magnetische Feldgröße B

Lorentzkraft

magnetische Feldkonstante, Ferromagnetismus

Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern

e/m - Bestimmung

elektrische Leitungsvorgänge

 

Kontext: Bereitstellung, Wandlung und Verteilung von Energie

 

elektromagnetische Induktion, lnduktionsgesetz, Selbstinduktion, Induktivität

Erzeugung von Wechselspannung, Transformator

Magnetfeld als Träger von Energie und elektrisches Feld als Energieträger

 

Kontext:          Strukturähnlichkeit

 

elektromagnetischer Schwingkreis

mechanische und elektromagnetische Schwingungen und Wellen

harmonische Schwingung

nichtlineare Schwingungen

Entstehung und Ausbreitung von Transversal- und Longitudinalwellen elektromagnetische Wellen

Ausbreitung von Licht

Beugung, Huygens'sches Prinzip, Reflexion, Brechung

Interferenz von Wellen

Gravitation

Kepler'sche Gesetze, Gravitationsgesetz

das System Erde-Mond, unser Planetensystem

Gravitationsfeld, Gravitationsfeldstärke

Energie und Arbeit im Gravitationsfeld, Potential

zentralsymmetrisches Feld, Coulomb’sches Gesetz

Energie und Arbeit im Coulombfeld

 

Jahrgangsstufe 13

 

Kontext: Wie kann man Atome untersuchen?

 

Atommodelle

lichtelektrischer Effekt und Lichtquantenhypothese Linienspektren und Energiequantelung des Atoms

Bohr’sches Atommodell, de Broglie-Theorie des Elektrons

Grenzen der Anwendbarkeit klassischer Begriffe in der Quantenphysik Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation

(Quantenobjekte und Messprozesse) (Aufbau des Periodensystems)

 

Kontext: Erkenntnisse über den Atomkern

 

ionisierende Strahlung

radioaktiver Zerfall

Zerfallsgesetz

Kernspaltung und Kernfusion

 

Zusammenstellung der Fachmethoden:

 

Beobachten, beschreiben, physikalisch fragen

 

Experimente planen und durchführen

 

Physikalische Gesetze und Begriffe erarbeiten

 

Gesetze und Modelle anwenden und reflektieren

 

Physikalische Gesetze auf aktuelle außerschulische Probleme anwenden

 

Die Bedeutung physikalischer Erkenntnisse reflektieren

 

 

Anzahl und Dauer der Klausuren in der Jahrgangsstufe 11

1. Halbjahr: Eine Klausur im Zeitrahmen von 2 Unterrichtstunden

2 Halbjahr: Zwei Klausuren ( jeweils  2 Unterrichtsstunden )

 

Qualifikationsphase  ( s. jeweils gültige Fassung der APO-GOSt  )

 

 

UNTERRICHTSBEISPIELE:

SDEKUNDARSTUFE II

 

VERTIEFUNG VON ERKENNTNISSEN DURCH ANSCHAUUNG

EXKURSIONEN IM PHYSIK - UNTERRICHT

 

Als Ergänzung zu dem regulären Physikunterricht unternahm der Kurs unter Leitung von Herrn Dienst vier Fahrten, die unterrichtsnah einen Überblick über die in der Schule behandelten Phänomene, Begriffe, Modelle und Theorien gaben. Die Schüler konnten sich so ein besseres Bild der Anwendung von physikalischen Erkenntnissen in der Industrie, Medizin oder auch Forschung machen.

Die erste Exkursion führte uns in der elften Jahrgangsstufe zum Planetarium nach Bochum. Hier war es möglich, den Sternenhimmel unabhängig von Wetter und Tageszeit an eine Kuppel zu projizieren. Bei der Vorführung wurde der tägliche Sternenhimmel gezeigt und die jahreszeitlichen Sternbilder erklärt. Im Laufe des Vormittags wurde uns das Prinzip von Teleskopen, sowie deren unterschiedliche Bauweisen anhand eines Films vorgestellt. Während der dreizehnten Jahrgangsstufe wurde die Astrophysik noch einmal ergänzend in Referatform behandelt.

Eine weitere Exkursion wurde zusammen mit dem Biologie-Grundkurs im zweiten Halbjahr der zwölften Jahrgangsstufe unternommen. Sie führte zum Forschungszentrum Jülich, das eine sehr zukunftsorientierte Forschung betreibt und seine Aufgabe darin sieht, Grundlagenforschung zu betreiben, die vielfach für technische Anwendungen relevant werden kann. Den Schülern wurden dabei aktuelle Themen, wie z.B. die Supraleitung (Nutzung: widerstandslose Leitung von Strömen, Magnetschwebebahn, etc.) mit modernster Technik nähergebracht und veranschaulicht. In einem anderen Gebäudetrakt wurde uns die reibungsfreie Lagerung und das Rastertunnelmikroskop (RTM), eine noch ziemlich neue Vorrichtung zur Untersuchung des Stoffaufbaus auf atomarer Ebene vorgestellt. Dadurch entstand eine enge Verbindung zu den in der Qualifikationsphase behandelten Unterrichtsthemen Atom- und Kernphysik. Vorstellungsschwierigkeiten von Schülern wurden so behoben und mit Hilfe der Experten konnte den Teilnehmern die aktuelle Forschung nähergebracht werden.

Als Ergänzung zu einem Referat über Rundfunktechnik hatte uns die Deutsche Telekom angeboten, das an die Schule angrenzende Hauptgebäude und dessen technische Einrichtungen zu besichtigen. Besonders beeindruckend waren die auf den Grad genaue Funktion der Klimatechnik und die für Stromausfälle benötigten Ersatzstromversorger, ohne die die ordnungsgemäße Funktion der sonstigen Technik nicht gewährleistet wäre.

Während der Unterrichtsreihe über elektromagnetische Wellen, beschäftigten wir uns auch mit der Röntgenstrahlung und entschieden uns daher in der dreizehnten Jahrgangsstufe, einen den Unterricht unterstützenden Exkurs zum Röntgenmuseum nach Remscheid-Lennep zu unternehmen. Die Führung vermittelte Informationen über historische Grundlagen und die Entdeckung der Röntgenstrahlen (= X-Strahlen), aber sie demonstrierte auch deren aktuelle Einsatz- und Forschungsgebiete. Besonders deutlich wurde dabei die kontinuierliche Verbesserung der Geräte bis zum heutigen Tage und die Erweiterung ihrer Anwendungsmöglichkeiten. So findet die Röntgenstrahlung nicht nur in der Medizin, sondern auch in der Astronomie, beim Zoll (z.B. Flughafen) und anderen Sicherheitskontrollen (es können heutzutage ganze Lkws durchleuchtet werden) ihre Anwendung.

Die Exkursionen führten zu verstärkter Auseinandersetzung mit dem betreffenden Thema und zeigten die große Bedeutung der Naturwissenschaft Physik in vielen Lebensbereichen

 

 

Jan und Jens Bender ( Abitur 1999 )