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Physik 11 (T)

gültig ab Schuljahr 2017/18

Ph11 Lernbereich 1: Beschreibung von Bewegungen (ca. 20 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • ermitteln aus Stroboskopbildern krummlinig bewegter Körper, die in ihrer Alltagserfahrung vorkommen, nach Festlegung eines geeigneten Bezugssystems Orte und Ortsänderungen durch Messen und ziehen anhand unterschiedlicher Zeitauflösungen der Bilder Rückschlüsse auf Betrag und Richtung mittlerer und momentaner Geschwindigkeiten.
  • planen einfache Experimente zu gleichförmigen und beschleunigten linearen Bewegungen und führen diese mit dem Ziel durch, funktionale Abhängigkeiten zwischen zwei kinematischen Größen zu formulieren oder zu bestätigen. Dazu werten sie ihre Messdaten vorteilhaft in Tabellen oder geeigneten Diagrammen aus und führen Abhängigkeiten, ggf. auch mit transformierten Werten, auf direkte Proportionalitäten zurück.
  • erstellen und interpretieren Zeit‑Ort‑, Zeit‑Geschwindigkeit‑ und Zeit‑Beschleunigung‑Diagramme von linearen Bewegungen, 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.
  • verwenden lineare und quadratische Funktionen zur quantitativen Beschreibung geradliniger Bewegungen aus ihrer Lebensumwelt, deuten die dabei auftretenden Parameter im jeweiligen Sachzusammenhang physikalisch und legen einen sinnvollen Gültigkeitsbereich ihrer Modellierung fest. Auf der Grundlage abgeschätzter und berechneter Werte beurteilen und bewerten sie auch kritische Situationen im Straßenverkehr.
  • führen krummlinige Bewegungen, exemplarisch aus dem Bereich des Sports, auf einen schiefen Wurf zurück. Um das Bewegungsverhalten unter Verwendung von Vektoren und Koordinatengleichungen zu prognostizieren, legen sie geeignete Bezugssysteme fest und überprüfen ihre Prognosen beispielsweise unter Einsatz der digitalen Videoanalyse.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • ein‑ und zweidimensionale Bewegungen, Ortsvektor, Koordinaten, Ortsänderung
  • Bezugssystem
  • Vektorcharakter der Geschwindigkeit und der Beschleunigung, 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 mit konstanter Geschwindigkeit bzw. konstanter Beschleunigung, t‑x‑, t‑v‑ und t‑a‑Diagramme
  • freier Fall, Fallbeschleunigung
  • Video‑ und Stroboskopaufnahmen von krummlinigen Bewegungen
  • schiefer Wurf (z. B. Weitsprung, Fußballflanke, Basketballwurf), Koordinatengleichungen, Bahnkurve, Orts‑, Geschwindigkeits‑ und Beschleunigungsvektor

Ph11 Lernbereich 2: Dynamik, Newton'sche Gesetze (ca. 20 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • treffen Vorhersagen über die Änderung der Geschwindigkeit eines Körpers durch eine Kraftwirkung und überprüfen diese durch selbst geplante und durchgeführte Experimente. Sie verwenden dabei geeignete Messwerterfassungssysteme, wie z. B. die Videoanalyse, und stellen ihre Ergebnisse sprachlich, grafisch und mathematisch dar.
  • 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 oder ohne eigenen Antrieb entlang einer geneigten Ebene sowie die Atwood'sche Fallmaschine.
  • analysieren die Kraftwirkungen und die damit verbundenen Impulsänderungen bei ein‑ und zweidimensionalen Stoßvorgängen unter Anwendung des Wechselwirkungsprinzips. Dabei ermitteln sie die Impulsänderungen der beteiligten Stoßpartner bei zweidimensionalen Vorgängen zeichnerisch und bei eindimensionalen Vorgängen zeichnerisch und rechnerisch, 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): Vektor F mal Delta t ist m mal delta Vektor v bzw. Vektor F mal Delta t ist m mal delta Vektor v
  • 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

Ph11 Lernbereich 3: Energie und Arbeit (ca. 16 Std.)
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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, z. B. Höhe eines Stabhochsprungs, maximal erreichbare Geschwindigkeit eines Speedski-Fahrers. 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 Weges wirken, um damit die zu verrichtende Arbeit abzuschätzen, 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 W = ΔE zwischen der Arbeit W, welche von äußeren Kräften an einem System verrichtet wird, und der Änderung ΔE der Energie E 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
  • Erhalten der mechanischen Gesamtenergie in einem abgeschlossenen, reibungsfreien System

Ph11 Lernbereich 4: Physikalisches Praktikum (ca. 28 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • werten Messreihen auf geeignete Weise (z. B. durch Transformation der Koordinatenachsen) grafisch aus, um Zusammenhänge zwischen Messgrößen zu formulieren und physikalische Gesetzmäßigkeiten abzuleiten. Im Fall von sich ergebenden Ausgleichsgeraden erläutern sie, ausgehend von der physikalischen Theorie, die der Messreihe zugrunde liegt, die physikalische Bedeutung der Proportionalitätskonstante.
  • führen vorgegebene Experimente selbständig durch und werten diese geeignet aus. Zur Gewinnung der Messwerte verwenden sie unterschiedliche analoge bzw. digitale Messgeräte. Die physikalischen Theorien und Gesetzmäßigkeiten für das jeweilige Experiment erschließen sie sich z. B. durch das Studium von Texten auf verschiedenem Anspruchsniveau.
  • entwickeln eigenständig einfache Versuchsaufbauten zu vorgegebenen physikalischen Problemstellungen und bewerten diese hinsichtlich der Qualität der Versuchsbedingungen, der Genauigkeit der Messergebnisse und deren Tauglichkeit für die Verallgemeinerung zu physikalischen Gesetzmäßigkeiten. Sie wägen hierbei auftretende systematische Messfehler qualitativ ab und führen ohne intensive Fehlerrechnung grobe Abschätzungen auftretender Größtfehler bei den eigenen Messungen durch.
  • erfassen Messwerte in einfachen Versuchssituationen mit computergestützten Messwerterfassungssystemen (z. B. Sensoren an Computern, CAS-Rechnern, Handys mit Messapplikationen, digitales Oszilloskop) und stellen diese mit geeigneten Programmen grafisch dar. Sie analysieren die Ergebnisse im Rahmen der zugrunde liegenden physikalischen Gesetzmäßigkeiten durch das softwareunterstützte Einpassen von Regressionskurven.
  • dokumentieren Versuchsaufbauten, Messwerttabellen, Messauswertungen und Schlussfolgerungen in einer sowohl fachsprachlich als auch formal korrekten Art in Form von Versuchsprotokollen.
  • entwickeln aus gegebenen Ausgangssituationen fundierte Hypothesen, konzipieren dazu Experimente zur quantitativen Überprüfung und führen diese durch. Sie reflektieren mithilfe einer passenden Auswertung die zuvor aufgestellten Hypothesen und präsentieren ihre Resultate unter Verwendung dazu geeigneter Präsentationstechniken.
  • erstellen Videofilme zu Bewegungsabläufen, die sie aus ihrer Erfahrungswelt kennen. Sie analysieren diese mithilfe geeigneter Programme und ermitteln damit die physikalischen Größen Zeit, Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung. Anhand ihrer Messergebnisse schließen sie auf die wirkenden Kräfte.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Messgrößen und ihre Beziehungen, verschiedene Arten von Proportionalitäten, insbesondere die direkte und indirekte Proportionalität
  • Experimente in geschlossenen, halboffenen oder offenen Formaten
  • Diagramme mit ggf. in geeigneter Weise transformierten Achsen
  • Ausgleichsgeraden und deren Steigungen
  • analoge bzw. digitale Messgeräte, z. B. Kraftmesser, Multimeter, Oszilloskop
  • computergestützte Messsensoren zur digitalen Messwerterfassung
  • Videoanalysesoftware
  • systematische Fehler und Fehlerfortpflanzung (qualitativ)