Lehrplan PLUS

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren Stroboskopbilder krummlinig bewegter Körper nach Festlegung eines Koordinatensystems, um Rückschlüsse auf Orte, Ortsänderungen sowie mittlere und momentane Geschwindigkeiten der Körper zu ziehen.
• erstellen und interpretieren Zeit‑Ort‑, Zeit‑Geschwindigkeit‑ und Zeit‑Beschleunigung-Diagramme linearer Bewegungen eines einzelnen Körpers, auch mit nicht konstanter Beschleunigung, in alltagsrelevanten Kontexten. Sie stellen Zusammenhänge zwischen diesen Diagrammen her, um Aussagen über Orts‑, Geschwindigkeits‑ und Beschleunigungsänderungen sowie über mittlere und momentane Geschwindigkeits‑ und Beschleunigungswerte zu treffen. Dabei setzen sie elementare geometrische und analytische Verfahren zur Berechnung von Maßzahlen von Flächeninhalten und Steigungen ein.
• stellen für einen einzelnen gleichförmig bewegten sowie einen konstant beschleunigten Körper die Bewegungsgleichungen auf und erstellen daraus die entsprechenden Diagramme. Umgekehrt ermitteln sie aus gegebenen Diagrammen die zugehörigen Bewegungsgleichungen für diesen Körper. Sie analysieren mithilfe dieser Gleichungen rechnerisch die Bewegung des Körpers.
• analysieren Diagramme, welche zugleich mehrere geradlinige Bewegungen von Körpern aus ihrer Lebenswelt beschreiben, deuten die daraus entnommenen Informationen im jeweiligen Sachzusammenhang und beurteilen und bewerten damit u. a. kritische Situationen im Straßenverkehr.
• modellieren und analysieren waagrechte Würfe unter Anwendung des Prinzips der Superposition von Bewegungen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Stroboskopbilder von krummlinigen Bewegungen
• Geschwindigkeit und Beschleunigung als Vektorgrößen, Geschwindigkeitsbetrag, Beschleunigungsbetrag, Geschwindigkeitskoordinate, Beschleunigungskoordinate
• mittlere und momentane Geschwindigkeit, mittlere und momentane Beschleunigung
• lineare Bewegungen auch mit nicht konstanter Beschleunigung in alltagsrelevanten Kontexten, z. B. 100‑m‑Sprint, Fahrtenschreiber, Beschleunigungs‑ und Überholvorgänge, Fallbewegungen mit und ohne Luftwiderstand, Beschleunigungsvorgang eines anfahrenden Autos oder Fahrrads
• Koordinatengleichungen für eine geradlinige Bewegung eines einzelnen Körpers mit konstanter Geschwindigkeit bzw. konstanter Beschleunigung, t‑x‑, t‑v‑ und t‑a‑Diagramme
• gemeinsame t‑x‑, t‑v‑ und t‑a‑Diagramme mehrerer geradlinig bewegter Körper
• Fallbeschleunigung, freier Fall, senkrechter Wurf
• waagrechter Wurf: Koordinatengleichungen, Bahnkurve, Geschwindigkeits‑ und Beschleunigungsvektor

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• setzen bei der Betrachtung von alltagsnahen Situationen (z. B. Fahrt mit einem Personenaufzug) gezielt die Newton'schen Gesetze ein, um die Auswirkungen von Kräften auf den Bewegungszustand eines Körpers vorherzusagen. Im Rahmen ihrer Aussagen ermitteln sie die Kraft, die bei dem jeweiligen Körper den Bewegungszustand verändert, indem sie rechnerische und zeichnerische Strategien mithilfe von Kräfteplänen verfolgen.
• treffen physikalisch fundierte Vorhersagen über reibungsbehaftete bzw. reibungsfreie Bewegungsabläufe bei ausgewählten Beispielen, insbesondere die Bergauf‑ und Bergabbewegung von Fahrzeugen mit sowie ohne eigenen Antrieb entlang einer geneigten Ebene.
• analysieren die Impulsänderungen bei ein‑ und zweidimensionalen Stoßvorgängen unter Anwendung des Wechselwirkungsprinzips. Dabei ermitteln sie die Impulsänderungen der beteiligten Stoßpartner bei eindimensionalen Vorgängen zeichnerisch und rechnerisch sowie bei zweidimensionalen Vorgängen zeichnerisch, um damit z. B. Geschwindigkeitsänderungen und dabei auftretende Beschleunigungen beim Zusammenstoß von Fahrzeugen zu diskutieren.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Beharrungsprinzip (1. Newton'sches Gesetz)
• Newton'sche Bewegungsgleichung (2. Newton'sches Gesetz)
• Wechselwirkungsprinzip (3. Newton'sches Gesetz)
• Reibungskraft
• Impuls als Vektorgröße
• Gesetz der Impulserhaltung
• Kräftepläne
• Antriebs‑ und Bremsvorgänge für Bewegungen auf horizontaler und geneigter Ebene mit und ohne Reibung

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• beschreiben bei mechanischen Vorgängen in Alltagssituationen die auftretenden Energieumwandlungen zwischen unterschiedlichen Formen mechanischer Energie verbal und anhand geeigneter grafischer Darstellungen. Sie bilanzieren diese quantitativ unter Anwendung des Prinzips der Energieerhaltung, um beispielsweise das Bewegungsverhalten von Körpern vorherzusagen. Dabei beziehen sie die Größe Arbeit in ihre Überlegungen und Berechnungen mit ein.
• bestimmen mithilfe elementarer geometrischer Überlegungen die verrichtete Arbeit als Maßzahl des Flächeninhalts der Fläche unter dem Graphen im gegebenen Weg‑Kraft‑Diagramm auch für Situationen, in denen nicht konstante Kräfte entlang eines Wegs wirken, z. B. beim Spannen einer Feder oder beim Beschleunigen eines Fahrzeugs unter Einbeziehung des Luftwiderstands.
• setzen den Energieerhaltungssatz zusätzlich zum Impulserhaltungssatz und dem Kraftkonzept vorteilhaft ein, um realitätsnahe Situationen (z. B. Loopingfahrt, zentraler Zusammenstoß zweier Fahrzeuge) quantitativ zu analysieren und präsentieren ihre Ergebnisse unter sicherer Verwendung der physikalischen Fachsprache.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Zusammenhang zwischen der Arbeit, welche von äußeren Kräften an einem System verrichtet wird, und der Änderung der Energie des Systems
• mechanische Energieformen: kinetische Energie, potenzielle Energie der Erdanziehung (Lageenergie) und potenzielle Energie der Elastizität (Spannenergie)
• Hubarbeit, Beschleunigungsarbeit, Spannarbeit und Reibungsarbeit
• Arbeit bei konstanter Kraft als Skalarprodukt von Kraft‑ und Wegvektor
• Arbeit bei nicht konstanter Kraft als Maßzahl des Flächeninhalts der Fläche unter dem Graphen im x‑F‑Diagramm
• Erhaltung der mechanischen Gesamtenergie in einem abgeschlossenen, reibungsfreien System

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• führen Drehbewegungen von Körpern aus ihrer Alltagserfahrung (z. B. Windrad, Karussell) auf Kreisbewegungen punktförmiger Körper mit konstanter Winkelgeschwindigkeit zurück. Sie verwenden die Größen Umlaufdauer, Frequenz, Bahnradius, Drehwinkel, Bahn‑ und Winkelgeschwindigkeit, Zentripetalbeschleunigung sowie Zusammenhänge zwischen diesen Größen zur quantitativen Beschreibung dieser Bewegungen und erklären ihre Dynamik mithilfe der Zentripetalkraft.
• zeigen durch rechnerische sowie grafische Auswertung von Messreihen die Zusammenhänge zwischen den Größen Zentripetalbeschleunigung, Zentripetalkraft, Winkelgeschwindigkeit und Radius auf. Dabei formulieren sie mathematische Zusammenhänge unter Verwendung der Newton'schen Gesetze.
• beschreiben Bewegungen von Körpern u. a. aus dem Bereich des Straßenverkehrs als Kreisbewegungen mit konstanten Winkelgeschwindigkeiten und ermitteln die Kräfte, die an einem Körper angreifen und in ihrer Summe als Zentripetalkraft wirken. Auf Grundlage dieser Analysen und geeigneter berechneter Werte hinterfragen und beurteilen sie die Notwendigkeit von Geschwindigkeitsbegrenzungen und Kurvenüberhöhungen, z. B. im Straßenverkehr.
• modellieren mithilfe des Gravitationsgesetzes von Newton die Bewegung von natürlichen und künstlichen Himmelskörpern (Satelliten) als Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit. Sie diskutieren die Einsatzmöglichkeiten von Satelliten, z. B. zur Nachrichtenübertragung, Navigation, Wetterbeobachtung, Kartografie.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit
• Umlaufdauer, Frequenz, Ortsvektor, Betrag und Richtung der Bahngeschwindigkeit, Drehwinkel im Bogenmaß, Betrag der Winkelgeschwindigkeit, Betrag und Richtung der Zentripetalbeschleunigung sowie der Zentripetalkraft
• Kurvenfahrt eines Zugs oder Pkw
• optimale Kurvenüberhöhung
• Gravitationsgesetz von Newton
• Vergleich von Satellitenorbits, geostationärer Satellit

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• beschreiben Schwingungen mit den physikalischen Größen Amplitude, Periodendauer sowie Frequenz.
• modellieren unter Berücksichtigung der Anfangsbedingungen die zeitliche Entwicklung von Orts‑, Geschwindigkeits‑ und Beschleunigungskoordinaten harmonisch schwingender Körper mit trigonometrischen Funktionen. Sie verwenden für die Beschreibung harmonischer Schwingungen auch Zeigerdiagramme.
• identifizieren bei schwingenden Systemen diejenigen Größen, von denen die Periodendauer abhängt und ermitteln mithilfe gezielter grafischer Auswertungen, insbesondere mithilfe transformierter Achsen, die auftretenden funktionalen Zusammenhänge.
• ermitteln bei periodischen Bewegungen die rücktreibende Kraft (Rückstellkraft) und begründen bei Vorliegen eines linearen Kraftgesetzes, dass es sich bei der betrachteten Bewegung um eine harmonische Schwingung handelt, insbesondere im Fall eines Federpendels, Fadenpendels und Flüssigkeitspendels. Sie identifizieren die Richtgröße harmonischer Schwingungen und stellen Zusammenhänge zwischen dieser und anderen charakteristischen Schwingungsgrößen (Eigenfrequenz, Periodendauer, Schwingungsenergie, Amplitude, Masse) her.
• erklären die bei Schwingungen ablaufenden Energieumwandlungen und stellen die schwingungsrelevanten Energieformen sowie die gesamte Schwingungsenergie in Abhängigkeit von der Zeit und der Elongation grafisch dar. Auf Grundlage des Energieerhaltungssatzes führen sie quantitative Energiebetrachtungen durch und erklären qualitativ Dämpfungseffekte, z. B. bei Schwingungsdämpfern.
• beschreiben die Entstehung und das Ausbreitungsverhalten von Longitudinal- und Transversalwellen und verwenden dazu im Fall von Transversalwellen auch die Gleichung einer fortschreitenden linearen Welle. Sie stellen Momentanbilder einer Welle zu verschiedenen Zeitpunkten grafisch dar und treffen quantitative Vorhersagen über das räumliche Fortschreiten der Welle.
• erklären qualitativ das Phänomen der Resonanz schwingungsfähiger Körper bei festen Eigenfrequenzen anhand von Experimenten oder Animationen und beurteilen Maßnahmen, um Resonanzeffekte bei Alltagsphänomenen zu beeinflussen, z. B. Vibrationen bei Fahrzeugen oder Maschinen.
• stellen stehende Wellen grafisch dar. Sie ermitteln für eindimensionale Resonatoren mit beliebigen Enden (fest oder offen) quantitative Zusammenhänge zwischen deren Länge und möglichen Eigenfrequenzen, um beispielsweise die Tonerzeugung in Musikinstrumenten nachzuvollziehen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Amplitude, Elongation, (Eigen‑)Frequenz, (Eigen‑)Kreisfrequenz, Periodendauer, Rückstellkraft
• Zeigerdiagramme
• Liniendiagramme von Elongation, Geschwindigkeits‑, Beschleunigungs‑ und Rückstellkraftkoordinaten
• Koordinatengleichungen für verschiedene Anfangsbedingungen
• lineares Kraftgesetz, Richtgröße
• Energieumwandlungen, Abhängigkeit der Gesamtenergie von der Richtgröße und der Amplitude
• Entstehung und Ausbreitung der Längs‑ und Querwelle bei harmonisch schwingendem Erreger, Wellenfront
• Wellenlänge, Ausbreitungsgeschwindigkeit
• Versuche mit Wellenmaschine, Federwurm
• Gleichung der fortschreitenden harmonischen Querwelle, Momentanbilder
• Abstand der Knoten und Bäuche bei stehenden Wellen
• Eigenschwingungen und Eigenfrequenzen bei festen bzw. offenen Enden, Versuch mit eingespanntem Seil oder auch Kundt'sche Röhre, Alltagsphänomene, z. B. Orgelpfeifen, Vibrationen im Auto

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• fertigen für elektrische und magnetische Felder aussagekräftige Feldlinienbilder an. Im Fall des elektrischen Felds verwenden sie dazu insbesondere das Superpositionsprinzip. Auf Basis der gewonnenen Feldlinienbilder treffen sie fundierte qualitative Aussagen über spezifische Eigenschaften der analysierten Felder, insbesondere über Homogenität und Symmetrie.
• berechnen ausgehend von einer allgemeinen Feldstärkedefinition die elektrische Feldstärke bzw. die magnetische Flussdichte in einem Raumpunkt im Feld mithilfe der Kraftwirkung auf eine Probeladung bzw. einen stromdurchflossenen Leiter.
• gewinnen im Fall des elektrischen Felds aus den Größen Lageenergie und Kraft die funktionalen Abhängigkeiten der feldbeschreibenden Größen Potenzial und Feldstärke. Dazu gehen sie mit den entsprechenden mathematischen Zusammenhängen sicher um.
• berechnen relevante Größen zur Beschreibung von Kondensatoren mit und ohne Dielektrika (Kapazität, Ladung und Energieinhalt), um deren Dimensionierung für vorgegebene Einsatzbereiche als Ladungs‑ und Energiespeicher abzuschätzen. Dabei berücksichtigen sie verschiedene Bauformen von Kondensatoren.
• analysieren Lade‑ und Entladekurven von Kondensatoren und bestimmen daraus die Werte relevanter physikalischer Größen, wie z. B. Stromstärke, Spannung und Ladung.
• bestimmen anhand des Millikan-Experiments die Ladungen schwebender Öltröpfchen und leiten daraus die Existenz der Elementarladung ab.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Veranschaulichen von Feldern durch Feldlinien, z. B. Versuch mit Grießkörnern und Eisenfeilspänen
• magnetische Flussdichte und elektrische Feldstärke
• magnetisches Kraftgesetz in vektorieller Form, Drei-Finger-Regel
• elektrische Ladung
• magnetischer Dipol
• anziehende und abstoßende Kraft zwischen elektrisch geladenen Körpern bzw. magnetischen Polen
• Coulombkraft
• radialsymmetrisches elektrostatisches Feld einer Punktladung (Coulombfeld), Betrag der elektrischen Feldstärke im Coulombfeld
• homogenes elektrisches Feld
• elektrische Feldkraft
• elektrisches Potenzial
• Spannung als Potenzialdifferenz im homogenen elektrischen Feld
• Kapazität, insbesondere des Plattenkondensators
• Energieinhalt des elektrischen Felds eines Kondensators
• Millikan-Experiment (Schwebemethode), Elementarladung

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• ermitteln aus vorgegebenen und experimentell gewonnenen t‑Φ‑Diagrammen den zeitlichen Verlauf der Induktionsspannung. Sie nutzen dabei das Induktionsgesetz und ihre mathematischen Kenntnisse hinsichtlich der Differenzialrechnung.
• berechnen Induktionsspannungen mit dem Induktionsgesetz für die Sonderfälle einer zeitlich konstanten magnetischen Flussdichte oder einer zeitlich konstanten, vom Magnetfeld durchsetzten Fläche, um die Erzeugung von Spannungen in technisch anwendbaren Größenordnungen zu realisieren.
• beschreiben für Stromkreise, die eine Spule enthalten, den zeitlichen Verlauf von Spannungen und Stromstärken beim Ein- und Ausschalten qualitativ und beurteilen bei technischen Anwendungen Nutzen und Risiken hoher Induktionsspannungen bei Ausschaltvorgängen unter Einbeziehung des Energieinhalts des Magnetfelds einer Spule. Bei Einschaltvorgängen ermitteln sie unter Verwendung des Induktionsgesetzes Induktivitäten und Leitungswiderstände realer Spulen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Definition des magnetischen Flusses
• Lenz'sche Regel
• Induktionsgesetz in differenzieller Form
• Erzeugen einer sinusförmigen Wechselspannung und einer Gleichspannung
• Selbstinduktion, Definition der Induktivität
• Energieinhalt des Magnetfelds einer Spule