Fachlehrplan Physik 12 (T), gültig ab SJ 2027/28 Fachoberschule, Physik, Jahrgangsstufe 12

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
  Gegenstandsbereiche: Systeme im Gleich- und Ungleichgewicht
• 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.
  Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen

  Gegenstandsbereiche: Systeme im Gleich- und Ungleichgewicht
• 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

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• planen die einzelnen Schritte ausgewählter Experimente, auch unter Einbeziehung ggf. aufbereiteter Fachliteratur, Simulationen, Videos, KI-Suchmaschinen und KI-Tools.
• analysieren Zusammenhänge zwischen physikalischen Größen, untersuchen auf systematische Weise den Einfluss verschiedener Parameter auf die Messgrößen und verallgemeinern ihre dabei gewonnenen Erkenntnisse.
• bestimmen Messwerte mithilfe geeigneter Messgeräte, wobei sie auf sachgerechte Bedienung und ggf. auf vorgegebene Sicherheitsrichtlinien achten.
• erklären etwaige Messunsicherheiten sowie auftretende Messfehler und Messabweichungen und bewerten deren Relevanz für die Validität der Messergebnisse.
• dokumentieren die experimentelle Durchführung sowie ihre Beobachtungen und stellen die Resultate logisch strukturiert und sachgerecht dar.