gültig ab Schuljahr 2019/20
Fachlehrplan Physik 13 (T) Berufsoberschule, Physik, Jahrgangsstufe 13
Ph13 Lernbereich 1: Geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern
ca. 20 Std.
Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
- modellieren das Verhalten geladener Teilchen in zeitlich konstanten, homogenen elektrischen und magnetischen Feldern, um die prinzipielle Funktionsweise von Geschwindigkeitsfiltern, Massenspektrometern sowie Anlagen der Hochenergiephysik (z. B. Teilchenbeschleuniger), auch unter Berücksichtigung relativistischer Effekte, quantitativ zu diskutieren.
- erläutern experimentelle Versuchsaufbauten zur quantitativen Bestimmung der charakteristischen Größen Ladung und spezifische Ladung von Teilchen. Anhand geeigneter Messdaten berechnen sie diese Größen und treffen so Aussagen zur Ladungsquantelung und relativistischen Massezunahme von Teilchen.
- beurteilen die Bedeutung von großtechnischen Anlagen der Hochenergiephysik (z. B. CERN) für die physikalische Grundlagenforschung im Wandel des physikalischen Weltbilds im 20. Jahrhundert, indem sie dazu in vorgegebenen Quellen recherchieren. Sie nehmen zur gesellschaftspolitischen Kritik einen begründeten Standpunkt ein.
Inhalte zu den Kompetenzen:
- Lorentzkraft, elektrische Feldkraft
- Geschwindigkeitsfilter, Massenspektrometer, Teilchenbeschleuniger
- Millikan-Versuch (Schwebefallmethode), Versuch mit dem Fadenstrahlrohr, Versuch von Bucherer
- Quantelung elektrischer Ladung, Elementarladung
- spezifische Ladung
- relativistische Effekte: Ruhemasse, relativistische Masse, relativistischer Impuls, Äquivalenz von Masse und Energie, relativistische Gesamtenergie, relativistische Energie-Impuls-Beziehung, Vakuumlichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit
Ph13 Lernbereich 2: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen
ca. 40 Std.
Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
- erklären die Entstehung einer freien elektromagnetischen Schwingung mit dem Zusammenwirken von Kondensator und Spule zu einem elektromagnetischen Schwingkreis und erörtern qualitativ die Auswirkungen der Dämpfung auf den zeitlichen Verlauf von Spannung und Stromstärke in einem realen elektromagnetischen Schwingkreis.
- erläutern die in einem idealen Schwingkreis ablaufenden Energieumwandlungen in Analogie zu mechanischen Schwingungen und nutzen das Prinzip der Energieerhaltung, um den zeitlichen Verlauf von Spannung, Stromstärke, Ladung sowie elektrischer und magnetischer Feldenergie mithilfe geeigneter trigonometrischer Funktionen zu modellieren und grafisch darzustellen. Sie führen auf Grundlage des Energieerhaltungssatzes quantitative Berechnungen durch und nutzen dabei auch Zusammenhänge zwischen der Eigenfrequenz eines idealen Schwingkreises, der Kapazität und der Induktivität.
- planen unter Verwendung der Thomson-Gleichung elektromagnetische Schwingkreise zu verschiedenen Eigenfrequenzen. Dabei nutzen sie das Prinzip der Rückkopplung zur Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen.
- stellen die Frequenzabhängigkeit der Resonatorspannung sowie der Phasenverschiebung zwischen der Erreger‑ und Resonatorspannung anhand von Messwerten bei Experimenten zur berührungslosen Energieübertragung zwischen induktiv gekoppelten Schwingkreisen grafisch dar und begründen anhand ihrer grafischen Auswertungen die optimale drahtlose Energieübertragung zwischen zwei Schwingkreisen im Resonanzfall.
- beschreiben einen Hertz'schen Dipol als offenen Schwingkreis in der Grundschwingung (λ/2‑Dipol) und formulieren die in ihm ablaufenden Vorgänge, indem sie ihre Kenntnisse über den geschlossenen Schwingkreis auf den offenen Schwingkreis übertragen. Anhand der zeitlichen Änderungen der Stromstärke‑ und Spannungsverteilung an einem oszillierenden λ/2‑Dipol veranschaulichen sie qualitativ die elektrischen und magnetischen Felder im Nahbereich des Dipols zu bestimmten Zeitpunkten durch Feldlinienbilder.
- beurteilen mithilfe der Abstrahlcharakteristik eines λ/2‑Dipols sowie eines geeigneten Modells für die Struktur einer freien elektromagnetischen Welle im Fernfeld eines λ/2‑Dipols Empfangsmöglichkeiten mit Dipolen (Stabantennen) und Spulen (Ringantennen) durch Resonanzerscheinungen und berechnen für Dipole frequenzabhängig die optimale kleinste Empfangslänge.
- führen quantitative Betrachtungen zu Interferenzexperimenten mit Dipolstrahlung durch und bestimmen experimentell die Wellenlänge von Dipolstrahlung. Dabei nutzen sie in Analogie zu mechanischen Wellen das Superpositionsprinzip zur Erklärung von konstruktiver und destruktiver Interferenz elektromagnetischer Wellen sowie der Erzeugung einer stehenden Welle. Ausgehend von physikalischen Zusammenhängen ermitteln sie quantitativ die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Abhängigkeit von der durchdrungenen Materie.
- identifizieren Licht als elektromagnetische Welle, indem sie übereinstimmende Ergebnisse aus Experimenten zur Beugung, Interferenz, Brechung, Reflexion und Polarisation von Dipolstrahlung und Licht einander gegenüberstellen. Auf der Basis ihres Wissens um grundlegende Eigenschaften und Wirkungen nichtionisierender elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen‑ bzw. Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums bewerten sie Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Radio‑, Mikrowellen sowie sichtbarem Licht im Alltag und bei modernen Technologien, z. B. Mobilfunk, WLAN, Laserpointer.
- bestimmen die Wellenlänge von kohärentem monochromatischem Licht (z. B. Laserlicht) aus Daten von Doppelspalt‑ und Beugungsgitterversuchen und bewerten qualitativ den Einfluss der Anzahl der durchleuchteten Spalte auf die Intensitätsverteilung des gebeugten Lichts am Beobachtungsschirm. Bei Interferenzerscheinungen am optischen Gitter entscheiden sie durch Rechnung, unter welchen Winkeln gegenüber der Senkrechten zum Gitter Intensitätsmaxima bzw. Intensitätsminima bestimmter Ordnung auftreten.
- beschreiben experimentelle Methoden zur spektralen Zerlegung des Lichts einer Gasentladungsröhre sowie eines glühenden Körpers mithilfe eines optischen Gitters unter der Voraussetzung kohärenter Lichtquellen. Sie vergleichen Lichtquellen anhand ihrer Spektren bzw. Interferenzbilder und ermitteln experimentell aus diesen die Wellenlängen einzelner Spektrallinien sowie Wellenlängenbereiche von Spektralfarben des sichtbaren Lichts.
- ermitteln mithilfe selbständig geplanter und durchgeführter Interferenzexperimente Gitterkonstanten periodischer Strukturen zur Beugung von sichtbarem Licht (z. B. optische Beugungsgitter, optische Datenträger) und bewerten die technischen Anwendungsmöglichkeiten der untersuchten Strukturen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
- elektromagnetischer Schwingkreis, Eigenfrequenz, Thomson-Gleichung
- Differenzialgleichung der freien, ungedämpften elektromagnetischen Schwingung
- freie gedämpfte elektromagnetische Schwingung
- Entladen eines Kondensators über eine Spule
- Rückkopplungsschaltung nach der Idee von Alexander Meißner
- induktiv gekoppelte Schwingkreise, Resonanz, Phasenverschiebung
- Stromstärke‑ und Spannungsverteilung am Dipol in der Grundschwingung
- Abstrahlcharakteristik, abgestrahlte Intensität bzgl. der Dipolachse (insbesondere senkrecht und parallel zur Dipolachse)
- freie elektromagnetische Welle, Polarisation, Transversalwelle, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Verknüpfung von elektrischem und magnetischem Feld
- Interferenzexperimente mit Dipolstrahlung, Doppelspalt, Interferenz gegenläufiger Wellen, z. B. Reflexion an Metallwand
- Beugung am Einfachspalt (nur qualitativ)
- Beugung und Interferenz am Doppelspalt, Bedingungen für Intensitätsmaxima und Intensitätsminima
- Beugung und Interferenz am Gitter (Mehrfachspalt), Bedingung für Intensitätsmaxima
- elektromagnetisches Spektrum, Emissionsspektren, Linienspektrum, kontinuierliches Spektrum
Ph13 Lernbereich 3: Quanten- und Atomphysik
ca. 55 Std.
Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
- beschreiben mithilfe von Computersimulationen oder Filmen die Gemeinsamkeiten bzw. Unterschiede des Verhaltens von klassischen Teilchen und klassischen Wellen mit bzw. zu freien, gleichartig präparierten Quantenobjekten bei Doppelspaltexperimenten. Anhand der dabei auftretenden Interferenzmuster treffen sie qualitative Wahrscheinlichkeitsvorhersagen über den Ausgang von Einzelmessungen und berechnen die den Quantenobjekten zuordenbaren Wellenlängen, indem sie ihr Wissen über Beugung und Interferenz am Doppelspalt anwenden.
- entscheiden mithilfe der Komplementarität von „Welcher-Weg-Information“ und „Interferenzfähigkeit“, ob bei Experimenten mit Quantenobjekten Interferenzerscheinungen auftreten, und erläutern dabei den Einfluss des Messvorgangs auf das Messergebnis. Auf Grundlage ihres Wissens um die Eigenschaften von Quantenobjekten sowie die Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg mit den komplementären Größenpaaren „Ort“ und „Impuls“ zeigen sie Grenzen klassischer Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse auf und beschreiben den Wandel des physikalischen Weltbildes im 20. Jahrhundert.
- werten die experimentell an einer Elektronenbeugungsröhre gewonnenen Interferenzmuster unter Anwendung der Gesetzmäßigkeiten der Bragg-Reflexion aus. Unter Verwendung der von ihnen im Rahmen der Versuchsauswertung ermittelten de-Broglie-Gleichung diskutieren sie für verschiedene Quantenobjekte (z. B. Fullerene) die technischen Herausforderungen zur Bestimmung der den Quantenobjekten zuordenbaren de-Broglie-Wellenlängen.
- ermitteln mithilfe experimentell gewonnener Daten zur quantitativen Bestimmung des Zusammenhangs zwischen der Frequenz des eingestrahlten Lichtes und der maximalen kinetischen Energie der beim äußeren Fotoeffekt ausgelösten Elektronen materialspezifische Austrittsarbeiten, Grenzfrequenzen und das Planck'sche Wirkungsquantum. Sie erläutern unter Berücksichtigung der quantisierten Energie‑ und Impulsübertragung die physikalischen Grundlagen bei Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit Materie.
- erläutern Versuche zur quantenhaften Energieemission und ‑absorption von Atomen und unterscheiden die Anregung der Atomhülle durch Wechselwirkung mit freien Elektronen von der Anregung durch Photonenabsorption. Anhand vorgegebener oder aus experimentellen bzw. theoretischen Werten entwickelter Energieniveauschemata gebundener Zustände im Atom stellen sie quantitativ Zusammenhänge zwischen Energiedifferenzen bei Zustandsänderungen und der Wellenlänge bzw. der Frequenz der dabei ggf. absorbierten bzw. emittierten Strahlung her. Dazu nutzen sie den Energieerhaltungssatz und im Fall des Wasserstoffatoms auch die empirisch gewonnene Serienformel.
- beschreiben gebundene Zustände von Quantenobjekten durch reellwertige zeitunabhängige Zustandsfunktionen (Ψ-Funktionen) und modellieren ihre Bindung in einem quantenmechanischen System insbesondere durch abschnittweise konstante potenzielle Energiefunktionen V (Potenzialtopfmodelle). Sie nutzen Computerprogramme und im Fall eines eindimensionalen Potenzialtopfs mit unendlich hohen Wänden auch Methoden der Differenzial‑ und Integralrechnung, um die Ψ-Funktionen unter Berücksichtigung von Anfangs‑ und Randbedingungen als Lösungen der zeitunabhängigen Schrödingergleichung für diskrete Energiewerte und in Abhängigkeit von Quantenzahlen zu ermitteln. Sie veranschaulichen Ψ und |Ψ|2 durch Liniendiagramme und treffen Aussagen über die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Quantenobjekte innerhalb bestimmter Bereiche.
- beurteilen die Gültigkeit und die Grenzen von Potenzialtopfmodellen zur Beschreibung gebundener Quantensysteme. Dazu vergleichen sie insbesondere theoretisch ermittelte Energiewerte mit experimentell aus Absorptions‑ oder Emissionsspektren gewonnenen Werten. Im Fall gebundener Mehrelektronensysteme wenden sie das Pauli-Prinzip an, um mögliche Elektronenkonfigurationen zu ermitteln.
- erläutern die Erzeugung von Röntgenstrahlung in einer Röntgenröhre, erklären mithilfe geeigneter Modellvorstellungen den kontinuierlichen und den charakteristischen Anteil des Emissionsspektrums und beurteilen den Einfluss der Beschleunigungsspannung der Röntgenröhre und des Anodenmaterials auf das Gesamtspektrum. Sie ziehen Rückschlüsse auf das verwendete Material in der Röntgenröhre und bewerten den medizintechnischen Einsatz von Röntgenstrahlung unter gesundheitlichen Gesichtspunkten. Für Strukturanalysen sowie zur Berechnung von Wellenlängen wenden sie die Gesetzmäßigkeiten der Bragg-Reflexion an.
Inhalte zu den Kompetenzen:
- Jönsson-Experiment, Doppelspaltexperiment mit reduzierter Lichtintensität
- Versuch zum Quantenradierer
- Eigenschaften von Quantenobjekten: Unteilbarkeit, Interferenzfähigkeit, stochastisches Verhalten, Unbestimmtheit
- Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg
- Versuch mit der Elektronenbeugungsröhre, de-Broglie-Gleichung, Bragg-Bedingung
- Wechselwirkungen elektromagnetischer Strahlung mit Materie: äußerer Fotoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung (nur Energiebilanz)
- Resonanzfluoreszenz, Franck-Hertz-Versuch
-
Energiewerte und Serienformel für das Wasserstoffatom:
- Potenzialtopfmodelle: eindimensionaler Potenzialtopf mit unendlich hohen Wänden (quantitativ), mit endlich hohen Wänden (nur qualitativ), zwei‑ und dreidimensionaler Potenzialtopf (nur qualitativ)
-
eindimensionale stationäre Schrödingergleichung für ein Quantenobjekt der Masse m:
-
Zustandsfunktionen und Energiewerte beim eindimensionalen Potenzialtopf der Breite a mit unendlich hohen Wänden:
- |Ψ|2 als Wahrscheinlichkeitsdichte
- Röntgenstrahlung: Erzeugung, charakteristische Strahlung, Bremsstrahlung, Grenzwellenlänge, Gesetz von Moseley, Strukturanalyse mit der Einkristallmethode
Ph13 Lernbereich 4: Kernphysik
ca. 25 Std.
Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
- nutzen die Zusammenhänge (auch relativistisch) zwischen Masse, Impuls und Gesamtenergie elektrisch geladener Quantenobjekte in Teilchenbeschleunigern, um die notwendigen Energien zu berechnen, die für die Auflösung subatomarer sowie subnuklearer Strukturen bei Streuexperimenten (insbesondere Rutherford-Streuung) erforderlich sind.
- erklären mithilfe der Eigenschaften der starken Kernkraft sowie durch Berechnung von Kernbindungsenergien pro Nukleon Aufbau und Stabilität von Atomkernen sowie die Freisetzung von Energie durch Kernspaltung bzw. Kernfusion.
- stellen Zusammenhänge zwischen radioaktiver Strahlung und Kernumwandlungen her, indem sie auf Grundlage eines einfachen Potenzialtopfmodells für den Atomkern die Entstehung von α‑, β-‑, β+‑ und γ‑Strahlung begründen. Dabei argumentieren sie bei α‑Zerfällen mit dem Tunneleffekt und bei β‑Zerfällen mit der Umwandlung von Quarks. Mithilfe ihres Wissens über die Art der Quantenobjekte, die bei spontanen Zerfällen radioaktiver Nuklide emittiert werden, beschreiben sie Experimente zur Unterscheidung radioaktiver Strahlungsarten sowie zur quantitativen Messung der Energien der emittierten Quantenobjekte.
- stellen Reaktionsgleichungen bei Kernreaktionen auf und berechnen die dabei auftretenden Massendefekte, um diese nach exothermen und endothermen Reaktionen zu klassifizieren.
- interpretieren die Energiespektren emittierter Quantenobjekte bei α‑ und β‑Zerfällen unter Verwendung von Erhaltungssätzen und berücksichtigen im Fall von angeregten Tochterkernen die Emission von γ‑Quanten als Folgeprozess der Zerfälle. Sie begründen und berechnen damit diskrete Energiewerte gebundener Zustände von Atomkernen.
- stellen experimentell gewonnene Messwerte bei exponentiell abklingenden Vorgängen grafisch dar und werten diese unter Verwendung der Eigenschaften einer Exponentialfunktion mit der Basis e aus, um charakteristische Größen dieser Abklingvorgänge zu bestimmen und bewerten anhand derer technische Anwendungsmöglichkeiten.
- beurteilen die Wirkung von ionisierender Strahlung (z. B. radioaktive Strahlung, Höhenstrahlung) auf biologisches Gewebe, indem sie ihr phänomenologisches Wissen über die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie nutzen. Dazu erläutern sie qualitativ die Funktionsweise von Messgeräten zur Untersuchung von Ionendosis und Aktivität und charakterisieren die Stärke der Wechselwirkung bzw. die biologische Wirkung der jeweiligen Strahlungsart durch die Energie‑ bzw. Äquivalentdosis. Sie bewerten die Risiken und den Nutzen von Behandlungsmethoden und diagnostischen Verfahren in der Nuklearmedizin und treffen geeignete Strahlenschutzmaßnahmen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
- Kernaufbau, Nukleonen, Quarks (up, down), Isotope, Nuklidkarte
- atomare Masseneinheit, Massendefekt, Bindungsenergie pro Nukleon
- Kernspaltung, Kernfusion
- physikalische Eigenschaften der α‑, β‑ und γ‑Strahlung
- Modell des eindimensionalen Potenzialtopfs mit endlich hohen Wänden, Tunneleffekt (nur qualitativ)
- Energie‑ und Impulsbilanzen bei Kernreaktionen
- charakteristische Größen exponentieller Abklingvorgänge, z. B. Halbwertszeit, Halbwertsdicke
- Wechselwirkung radioaktiver Strahlung mit Materie: Ionisation, Bremsstrahlung, äußerer Fotoeffekt, Comptoneffekt, Paarbildung
- Anwendungen in der Medizin, z. B. Strahlentherapie, Positronen-Emissions-Tomografie, nuklearmedizinische Diagnostik
- Messgeräte zur Untersuchung von Ionendosis und Aktivität, z. B. Ionisationskammer, Geiger-Müller-Zählrohr
- Strahlenschutz, Strahlenbelastung, Energie‑ und Äquivalentdosis