Lehrplan PLUS

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern den Begriff thermodynamische Systeme und charakterisieren diese hinsichtlich der Durchlässigkeit für Materie und Energie.
• untersuchen auch experimentell die Zusammenhänge von Druck, Volumen und Temperatur bei Gasen, leiten daraus die Gasgesetze ab und wenden diese in technischen Problemstellungen fachgerecht an.
• beschreiben Eigenschaften von isobaren, isochoren, isothermen und adiabaten Zustandsänderungen und stellen diese im p(V)-Diagramm dar.
• unterscheiden Wärme, innere Energie und die thermische Zustandsgröße Temperatur, um das Zusammenwirken modellhaft zu beschreiben.
• analysieren die bei isobaren, isochoren, isothermen und adiabaten Zustandsänderungen verrichtete Arbeit und umgesetzte Wärmeenergie, stellen diese im p(V)-Diagramm dar, um thermodynamische Berechnungen fachgerecht durchzuführen.
• erläutern den Begriff der inneren Energie im Rahmen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik und wenden diesen in technischen Problemstellungen fachgerecht an.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• offene, geschlossene, abgeschlossene und adiabate thermodynamische Systeme; Materie und Energie
• allgemeine Gasgleichung, universelle Gasgleichung, spezifische Gaskonstante
• Zustandsänderung und Zustandsgleichungen, Adiabatenexponent, p(V)-Diagramm
• Temperatur, Wärmenergie, Teilchenmodell
• Arbeit und Wärmeenergie, spezifische Wärmekapazitäten bei konstantem Druck und Volumen
• innere Energie, erster Hauptsatz der Thermodynamik

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern die Bedeutung der Axiome der Statik und begründen mit deren Aussagen die Grundlagen der wichtigsten zugehörigen Lehrsätze.
• analysieren ebene Kraftsysteme und wenden geeignete rechnerische Verfahren zur Bestimmung resultierender Kräfte und Momente an.
• beschreiben die Voraussetzungen für den statischen Gleichgewichtszustand eines Körpers in ebenen Kraftsystemen mithilfe des Freimachens und begründen damit die Gesetzmäßigkeit nur paarweise auftretender Kräfte.
• untersuchen verschiedene Kraftübertragungsprinzipien in technischen Systemen und diskutieren deren modellhafte Verwendung.
• prüfen statische Bestimmtheit in ebenen Kraftsystemen mithilfe von Freiheitsgrad, Anzahl der Stäbe und Scheiben und Wertigkeit der Auflager.
• analysieren die Verläufe der Schnittgrößen Normalkraft, Querkraft und Biegemoment im Träger für äußere Belastungen und Momente und beurteilen deren Einfluss auf Konstruktion und Bauteildimensionierung.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Lehrsätze der Statik: Gleichgewichtssatz, Reaktionssatz, Verschiebungssatz, Überlagerungssatz
• Einzelkräfte, konstante und lineare Streckenlasten, Momente in ebenen Kraftsystemen, resultierende Kräfte und Momente
• statische Gleichgewichtsbedingungen; Schnittprinzip (Freimachen)
• konstruktive Kraftübertragungsprinzipien wie einwertige, zweiwertige und dreiwertige Lager, Gelenke, Seile, Rollen und Pendelstützen
• statische Bestimmtheit
• Normalkraft-, Querkraft- und Biegemomentenverlauf durch Einzelkräfte, Momente, konstante und lineare Streckenlasten

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• begründen unter Beachtung technologischer Anforderungen die Verwendung von Werkstoffen und Werkstoffgruppen aufgrund charakteristischer Werkstoffeigenschaften.
• analysieren Aufbau, Funktion und Auswertung von mechanisch-technologischen und zerstörungsfreien Werkstoffprüfverfahren und stellen sie in Präsentationen dar.
• erläutern mithilfe der Kenntnis über Gefügeentstehung sowie Aufbau und Struktur von Metallen grundlegende Auswirkungen auf deren Werkstoffeigenschaften.
• unterscheiden Möglichkeiten der Gefügeausbildung bei Zweistofflegierungen mithilfe von Zustandsschaubildern und leiten daraus Einflüsse auf die Werkstoffeigenschaften ab.
• untersuchen mithilfe des Eisen-Kohlenstoffdiagramms die Gefügeveränderung von Stahl durch Wärmebehandlungsverfahren, leiten daraus Einflüsse auf Werkstoffeigenschaften ab und erläutern Einsatzmöglichkeiten so behandelter Stähle.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Einteilung der Werkstoffe; physikalische, mechanische, chemische und technologische Werkstoffeigenschaften
• Werkstoffprüfverfahren, z. B. Zugversuch, Härteprüfung, Kerbschlagbiegeversuch
• zerstörungsfreie Werkstoffprüfverfahren, wie z. B. Ultraschallprüfung, Röntgen, Farbeindringverfahren, Magnetpulververfahren
• Metallbindung, Keimbildung, Kristallwachstum, Gitterfehler, Abkühlkurve, Gittertypen (krz, kfz, hexagonal), Einflüsse auf Werkstoffeigenschaften, z. B. durch Korngröße, Gittertypen
• Mischkristall (Substitutionsmischkristall, Einlagerungsmischkristall), Kristallgemisch, Zustandsdiagramme von Zweistofflegierungen mit und ohne vollständiger Löslichkeit, z. B. Cu-Ni, Al-Si
• Martensitbildung, Wärmebehandlungsverfahren, z. B. Glühen, Härten

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• unterscheiden verschiedene Energieformen und analysieren damit Energieumwandlungen im Alltag, indem sie diese mithilfe von Energiewandlungsketten beschreiben.
• analysieren mittels Recherche Energieversorgungssysteme in Hinblick auf die Fachbegriffe Primär- und Sekundärenergie, Nutzenergie, Endenergie, Energietransport; sie stellen damit deren Energieumwandlungsschritte in Energieflussdiagrammen dar und bewerten die Energieeffizienz.
• unterscheiden die physikalischen Größen Arbeit, Energie und Leistung, um energetische Zusammenhänge aus dem Alltag fachsprachlich richtig zu beschreiben, und wenden diese Größen in Berechnungen zu technischen Aufgaben- und Problemstellungen fachgerecht an.
• analysieren einfache technische Systeme in Bezug auf die Energieerhaltung, leiten den Wirkungsgrad ab und wenden ihre Kenntnisse in einfachen Wirkungsgradberechnungen an.
• führen mit ihren Kenntnissen über Energiewandlungsketten und -flussdiagrammen Energie-, Leistungs- und Wirkungsgradberechnungen komplexer technischer Systeme durch, um deren Energieeffizienz zu bewerten, und diskutieren Folgen von Optimierungen unter ökonomischen und ökologischen Aspekten.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Energie, z. B. kinetische und potenzielle Energie, chemische Energie, elektrische Energie, Wärmeenergie, Kernenergie
• Primär- und Sekundärenergieträger, Nutzenergie, Endenergie, Energietransport, Energieflussdiagramm
• Arbeit, Energie, Leistung
• Energieerhaltungssatz, Energieverlust und Wirkungsgrad
• komplexe technische Systeme, z. B. Kraftwerke, Antriebssysteme

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren die Bedeutung unterschiedlicher fossiler Energieträger für die Energieversorgung unter technologischen, ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten und beurteilen weltweit auftretende Probleme.
• untersuchen verschiedene Arten der Nutzung der regenerativen Energien und vergleichen diese bzgl. der verfügbaren Ressourcen, Kosten, Aufwand und Umweltverträglichkeit.
• untersuchen die energetische Umwandlung in verschiedenen Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien und vergleichen technische Parameter.
• erörtern technische, politische, gesetzliche und geographische Fragen zur Standortwahl von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien und beurteilen deren Folgen für die Umwelt.
• vergleichen erneuerbare Energieträger nach definierten technischen Kriterien und überprüfen Konzepte für die regionale elektrische Energieversorgung.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Kohlendioxidproblem und anthropogener Treibhauseffekt, Ziele der Bundesregierung zur Energieversorgung, Dekarbonisierung der Weltwirtschaft
• regenerative Energien, z. B. Sonnenenergie, Biomasse als Abwandlung der Sonnenenergie
• Energieumwandlungsketten, Parameter, z. B. zeitliche Nutzbarkeit, Energiebilanz, Gesamtwirkungsgrade, energetische Amortisation
• Rahmenbedingungen für die Nutzung erneuerbarer Energien, Aspekte der Ökobilanz
• Versorgungssicherheit im Stromnetz; Grund-, Mittel-, Spitzenlast

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren aktuelle Umweltbelastungen nach Ursache und Wirkung, um die Notwendigkeit einer intakten Natur zu erkennen, und diskutieren technische und politische Maßnahmen zu deren Erhalt.
• unterscheiden verschiedene anthropogene Schadstoffe bezüglich ihrer Entstehung und Zusammensetzung, recherchieren deren Nachweismethoden und beurteilen deren Wirkung auf Mensch und Umwelt.
• untersuchen Aufbau und Funktionsweisen technischer Maßnahmen zur Luftreinhaltung und bewerten ordnungspolitische Maßnahmen im Hinblick auf deren Wirksamkeit bei der Verbesserung der Luftqualität.
• analysieren technische sowie ordnungspolitische Maßnahmen zur Wasserreinhaltung sowie zur Wasseraufbereitung und bewerten diese bzgl. der Effizienz bei der Sicherung und Sanierung der Wasserqualität in unterschiedlichen Bereichen, wie z. B. im Grundwasser oder in stehenden und fließenden Oberflächengewässern.
• untersuchen Methoden und Techniken der heutigen Abfallwirtschaft in Bezug auf Effizienz und Umweltverträglichkeit und leiten daraus Verbesserungsvorschläge ab.
• untersuchen technische Systeme und Produkte bzgl. ihrer umweltverträglichen Konstruktions- und Produktionsweise sowie Entsorgung und beurteilen dabei mögliche Auswirkungen auf Mensch, Gesellschaft und Umwelt.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Umweltprobleme (z. B. Klimaerwärmung, Waldsterben, Ozonloch), technische oder politische Maßnahmen, z. B. FCKW-Verbot, Kohlenstoffdioxid-Reduktion
• Schadstoffe (z. B. Kohlendioxid, Ozon, Feinstaub, Dioxine), Nachweismethoden, Auswirkungen
• Abgasreinigungsanlagen (z. B. in Kohlekraftwerken, Partikelfilter, 3-Wege-Katalysatoren), ordnungspolitische Maßnahmen (z. B. Umweltzonen), Herstellernormen, z. B. Abgasnormen für PKW und LKW
• Maßnahmen der Abwasserbehandlung (z. B. Kläranlagen), Maßnahmen der Trinkwasseraufbereitung (z. B. Entsalzungsanlagen), ordnungspolitische Maßnahmen, z. B. Düngeverordnung
• Kreislaufwirtschaft, Abfallarten und Abfallentsorgung
• Rohstoffproblematik (z. B. seltene Erden), umweltverträgliche Konstruktionen sowie Produktionsprozesse, Recycling und Entsorgung, z. B. Elektroschrott

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• untersuchen die physikalischen Eigenschaften einfacher passiver elektronischer Bauelemente und analysieren damit mögliche technische Verwendungen.
• erläutern die Eigenschaften von n- und p-dotierten Halbleitern und erklären damit Aufbau und Funktionsweise einer Siliziumdiode.
• untersuchen experimentell Diodenkennlinien, erläutern damit technische Eigenschaften und Verwendungen von Dioden und beurteilen deren Einsatzgrenzen.
• erläutern Aufbau und Funktionsweise von Transistoren und untersuchen damit deren Verwendung in elektronischen Grundschaltungen.
• analysieren komplexere elektronische Dioden- und Transistor-Schaltungen (z. B. mithilfe von Simulationen), erläutern dabei Aufbau und Funktionsweise und beurteilen deren Einsatzgrenzen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• physikalische Eigenschaften von Kondensatoren, Spulen, Widerständen, Verwendung von elektronischen Bauelementen, z. B. als Energiespeicher, Relais, Spannungsteiler
• n- und p-Dotierung von Silizium, pn-Übergang, Raumladungszone, Aufbau und Funktion einer Siliziumdiode
• Diodenkennlinie, technische Eigenschaften von Dioden (u. a. Sperrspannung, Lawinendurchbruch), Verwendung von Dioden, z. B. zur Gleichrichtung, Verpolungsschutz, Spannungsregelung
• Bipolartransistor (npn- oder pnp-Transistor), MOS-FET (n- oder p-Kanal), elektronische Grundschaltungen, z. B. Emitter-, Kollektor- oder Basisschaltung
• Komplexere elektronische Schaltungen (z. B. Gleichrichterschaltungen, elektronischer Schalter, Verstärker, NAND-Schalter in DTL-Technik), Darstellung mit Schaltsymbolen, experimentelle Überprüfung, z. B. mithilfe eines Simulationsprogramms oder Experimentierboards

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren mithilfe der Merkmale und Eigenschaften von Systemen reale Objekte aus den Bereichen Technik, Natur und Gesellschaft, um zu prüfen, ob diese ein System bilden.
• beurteilen verschiedene Kriterien zur Grenzziehung zwischen realen Systemen (z. B. Verbrennungsmotor, Wald, gesellschaftliche Gruppierungen) und ihrer Umwelt. Sie analysieren dabei mögliche Wirkbeziehungen zwischen Systemumwelt und System, um durch das (messbare) Systemverhalten auf innere Prozesse zu schließen.
• untersuchen anhand einfacher Beispiele selbständig das Systemverhalten realer Prozesse, identifizieren dies als Änderung des Systemzustands und beurteilen den Einfluss von System- und Umweltparametern.
• analysieren die Zustandsänderungen realer Systeme, erläutern die verwendeten Zustandsgrößen zur eindeutigen Festlegung eines Systemzustands und begründen die Notwendigkeit von Vereinfachungen.
• unterscheiden Prozesse eines Systems nach Gut, Art und Struktur fachgerecht, erläutern mögliche Darstellungsmethoden und beurteilen die Gültigkeit selbständig entwickelter diskreter bzw. kontinuierlicher Prozesse auch mithilfe von Computern.
• untersuchen verschiedene Verhaltensreaktionen eines komplexen Systems bei äußeren bzw. inneren Wirkungen, analysieren die dabei benötigten Reaktionszeiten dieser Prozesse und überprüfen Systemidentität und Systemerhalt.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Merkmale und Eigenschaften eines Systems: Systemzweck, Systemstruktur, Systemintegrität
• Systemgrenzen, Systemverhalten
• Systemzustand, Zustandsänderungen, Systemparameter, Definition eines Prozesses
• Zustandsgrößen eines Systems (z. B. Temperatur, Druck, Volumen), Dimensionalität des Systems (Anzahl der unabhängigen Zustandsgrößen)
• Klassifizierung von Prozessen (Verarbeitungsgut, Verarbeitungsart, Verarbeitungsstruktur), Darstellungsformen: Petri–Netze (nur Stellen-Transitionsnetze), System-Dynamics-Notation
• Systemverhalten (Ursache-Wirkung, Rückkoppelung, Anpassung, Selbstorganisation, Evolution, Leitwertabstimmung), Systemerhaltung, Systemidentität

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern die modellhafte Abbildung von diskreten bzw. dynamischen Prozessen und Systemen von realen Vorgängen aus den Bereichen Technik, Ökonomie oder Ökologie, um Verhaltensvorhersagen zu treffen, Zusammenhänge zu verstehen und innere Funktionsabläufe zu beschreiben.
• stellen die Vorgehensweise bei der Entwicklung eines Modells dar und beurteilen die einzelnen Schritte in Bezug auf deren Plausibilität im Rahmen einer machbaren Modellbildung.
• analysieren unterschiedliche Modelltypen zur Abbildung realer diskreter bzw. dynamischer Prozesse und Systeme und untersuchen das jeweilige Modellverhalten, um die Modelle genauer den tatsächlichen Bedingungen anzupassen.
• erläutern verschiedene Darstellungsmöglichkeiten von Modellen und vergleichen deren Vor- und Nachteile, um deren Verwendungsmöglichkeiten zu beurteilen.
• analysieren einfache Problemstellungen zu realen Prozessen und Systemen, entwickeln hierfür geeignete Modelle, dokumentieren diese nach vorgegebenen Kriterien.
• untersuchen einfache selbstentwickelte Modelle realer Systeme und Prozesse mithilfe von geeigneter Simulationssoftware und identifizieren mögliche Modellverbesserungen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Grenzen der Analyse realer diskreter und dynamischer Prozesse bzw. Systeme
• 7-Schritte-Methode: Analyse realer Systeme, Problembeschreibung, Wortmodell, Wirkungsplan, Flussdiagramm, Simulation, Modelltest
• grundlegende Modelltypen: linear, quadratisch, exponentiell, harmonisch schwingend, logistisch
• Modelldarstellungen (z. B. Kausaldiagramm, Flussdiagramm oder Modellgleichungen), grafische Darstellung, Fallbeispiele
• Grundlagen der modellhaften Abbildung einfacher realer dynamischer oder diskreter Prozesse bzw. Systeme, Entwicklung einfacher Modelle
• Simulation der Modelle mithilfe geeigneter Software, System-Dynamic-Notation

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern mithilfe eines p(V)-Diagramms das Grundprinzip des rechtsläufigen Kreisprozesses und analysieren dabei qualitativ auftretende Energieumwandlungen.
• wenden ihre Kenntnisse über Zustandsänderungen und Energieumwandlungen in thermodynamischen Prozessen rechnerisch im Carnotprozess an, bestimmen dabei allgemein den maximalen thermischen Wirkungsgrad und beurteilen damit vorhandene physikalische Grenzen.
• untersuchen mithilfe von p(V)-Diagrammen Zustandsänderungen und Energieumwandlungen beim idealen Otto- und Dieselprozess, erläutern dabei grundsätzliche Unterschiede zwischen den beiden Prozessen und bewerten die mithilfe technischer Kenngrößen ermittelten maximalen Wirkungsgrade der beiden Motorarten.
• analysieren das Grundprinzip des Viertaktverfahrens anhand des realen p(V)-Diagramms eines Otto- oder Dieselmotors und erläutern dessen Darstellung im Motor-Steuerdiagramm, um damit grundlegende motorsteuerungstechnische Maßnahmen zur Optimierung zu erklären.
• entwickeln grundsätzliche Maßnahmen zur Verbesserung des realen Wirkungsgrads, stellen diese in Beziehung mit aktuellen Motorenentwicklungen bei Otto- oder Dieselmotoren und bewerten deren Wirtschaftlichkeit.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• rechtsläufiger Kreisprozess im p(V)-Diagramm; Energieumwandlung: Wärme, Arbeit, Nutzarbeit
• p(V)-Diagramm beim Carnotprozess, Zustandsänderungen; Wärme, Arbeit, Nutzarbeit; thermischer Wirkungsgrad η=1-Tmin/Tmax
• ideales p(V)-Diagramm Otto- und Dieselmotor, Gleichraum- und Gleichdruckverbrennung, Energieumwandlungen: Wärme, Arbeit, Nutzarbeit; technische Kenngrößen, z. B. Füllgrad, Verdichtungsverhältnis, Verbrennungshöchstdruck, Wirkungsgrad
• Viertaktverfahren, Motor-Steuerdiagramm, motorsteuerungsteuerungstechnische Maßnahmen (Öffnungs- und Schließwinkel der Ein- und Auslassventile, Zündzeitpunkt und Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung, Ventilüberschneidung)
• grundsätzliche technische Maßnahmen (z. B. Druckerhöhung, Motorkühlung, Volumenvergrößerung), moderne Motorenentwicklungen (z. B. Direkteinspritzung, Turbolader), Wirtschaftlichkeit und Ökologie

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• analysieren weitgehend selbständig, auch unter Verwendung fachbezogener Informationsquellen, Aufbau, Funktion, Entwicklungsgeschichte und Innovationskraft komplexer technischer Systeme. Hiermit erläutern sie die Verknüpfung technischer Teilbereiche untereinander und zu anderen Fachgebieten, dokumentieren ihre Ergebnisse fachgerecht und stellen sie mithilfe geeigneter Präsentationstechniken zielgruppenorientiert dar.
• beurteilen verschiedene grafische Darstellungsformen komplexer technischer Zusammenhänge, prüfen den Informationsgehalt von technologischen bzw. physikalischen Größen und Einheiten und analysieren deren Genauigkeit, Vergleichbarkeit und Aussagekraft.
• vergleichen Lösungen technischer Problemstellungen ähnlicher oder gleicher komplexer Systeme (wie z. B. gleiche Produkte verschiedener Hersteller), erläutern die dazu benötigten Fertigungsprozesse und bewerten die jeweiligen Entwicklungsschritte.
• begründen im Rahmen einer Abschlussdiskussion die Vor- und Nachteile von untersuchten komplexen technischen Systemen aus ökonomischer, ökologischer und technischer Sicht, um Entscheidungskriterien für weitere Forschungen zu identifizieren.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Aufbau und Funktionsweise von komplexen technischen Systemen (z. B Antriebsmotor, Raffinerie, Elektronik, Computer, Automatisierungstechnik), Entwicklungsgeschichte komplexer technischer Systeme
• grafische Darstellung technischer Daten (z. B. Kennlinienfeld, Zeigerdiagramm, 3-D-Diagramm, ZTU-Schaubild, Gesamtzeichnung, Blockschaltbild, Flussdiagramm); komplexe technische/physikalische Größen, z. B. Wärmekapazität, Lumen, Entropie, spezifischer Kraftstoffverbrauch
• exemplarischer Vergleich technischer Problemlösungen, moderne Fertigungsprozesse, Produktlebenszyklus
• Ökonomie und Ökologie technischer Systeme, Forschungsgebiete und zukünftige technische Entwicklungen