Lehrplan PLUS

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Biophysik 11

Der angegebene Fachlehrplan wird derzeit überarbeitet; die überarbeitete Fassung wird nach Abschluss der Anpassung des LehrplanPLUS an das neunjährige Gymnasium veröffentlicht.

Die Schülerinnen und Schüler sollen mindestens drei der vier ausgewiesenen Schülerexperimente durchführen. Die ersatzweise Durchführung des evtl. verbleibenden Schülerexperiments als Demonstrationsexperiment ist verpflichtend; auch in diesem Fall sind die relevanten Aspekte der zugehörigen Kompetenzerwartung zu berücksichtigen.

PhBio11 Lernbereich 1: Das Auge (ca. 17 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben das Linsenauge mithilfe geeigneter physikalischer Modelle der geometrischen Optik und erklären damit dessen Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen von Lebewesen. Im Zusammenhang mit dem Linse‑Schirm-Modell konstruieren sie den Strahlenverlauf und verwenden die Linsengleichung, um quantitative Überlegungen zum scharfen Sehen durchzuführen.
  • experimentieren selbständig mit Linse und Schirm, um gegebene Problemstellungen mit biophysikalischem Kontext zu untersuchen. Im Versuchsprotokoll vergleichen sie experimentelle Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen unter Zuhilfenahme der Linsengleichung.
  • erläutern, wie in der Netzhaut Bildinformationen zu den Photorezeptoren trotz vieler vorgelagerter Zellen übertragen werden. Zudem diskutieren sie weitere Besonderheiten des Netzhautaufbaus, wie z. B. die dem Licht abgewandte Orientierung der Photorezeptoren beim Menschenauge oder das Tapetum Lucidum beim Katzenauge, im Hinblick auf ihren Nutzen.
  • übertragen ihre Kenntnisse zu Beugung und Interferenz am Doppel- und Einfachspalt auf das Lochblenden-Modell der Pupille. Sie schätzen das Auflösungsvermögen einerseits anhand dieses Modells, andererseits mithilfe der Größe der Sehzellen ab und reflektieren das Ökonomieprinzip in der Natur, indem sie die beiden Werte vergleichen.
  • bestimmen experimentell selbständig das Auflösungsvermögen des eigenen Auges. Im Versuchsprotokoll stellen sie die theoretischen Überlegungen zur Auswertung dar, reflektieren die Genauigkeit des ermittelten Wertes und vergleichen diesen mit Werten, die sich aus der Größe von Beugungsscheibchen sowie der Größe von Sehzellen ableiten lassen.
  • schätzen den Einfluss verschiedener Faktoren auf das Auflösungsvermögen des Linsenauges nach dem Prinzip des schwächsten Glieds in der Kette ein. Sie diskutieren unter Verwendung physikalischer Gesetzmäßigkeiten das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges im Vergleich zum Adlerauge und erkennen in diesem Zusammenhang die Optimierung eines biologischen Systems im Hinblick auf seine jeweiligen Anforderungen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Linsenauge: Aufbau des Linsenauges, Linse‑Schirm-Modell, Linsengleichung als Bedingung für scharfes Sehen, Abbildungsfehler, Akkommodationsmechanismen, Anpassung des Linsenauges an verschiedene Lebensräume
  • Schülerexperiment Untersuchungen zum Linse‑Schirm-Modell des Auges
  • Aufbau der Retina, Stäbchen und Zapfen, Lichtleitereffekte in der Retina, erhöhte Lichtausbeute bei nachtaktiven Tieren, spektrale Empfindlichkeit der Sehzellen im Zusammenhang mit dem Farbsehen
  • Grenzen der Sehleistung: Beugung und Interferenz von Licht am Doppel- und Einfachspalt, Begrenzung des Auflösungsvermögens durch Beugung an der Pupille und durch die Sehzellendichte, Auflösungsvermögen des Adlerauges
  • Schülerexperiment Bestimmung des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges

PhBio11 Lernbereich 2: Das Ohr (ca. 17 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern experimentelle Befunde zur Interferenz von Schallwellen mithilfe des Superpositionsprinzips, interpretieren Töne und Klänge anhand von Frequenzspektren und stellen Zusammenhänge zu den zugehörigen Schwingungsdiagrammen her.
  • führen unter Verwendung der Größen Schalldruck, Schallintensität und Schalldruckpegel quantitative Betrachtungen durch, stellen Zusammenhänge zwischen individuell empfundener Lautstärke und physikalisch messbaren Größen her und bewerten die von hohen Schalldruckpegeln ausgehenden Gesundheitsgefährdungen.
  • erklären das Richtungshören, indem sie Laufzeitunterschiede des Schalls zwischen beiden Ohren abschätzen und mit der Superposition von Schallwellen argumentieren.
  • begründen die Notwendigkeit der Impedanzanpassung durch das Mittelohr, indem sie, insbesondere anhand graphischer Darstellungen, das Reflexionsverhalten von Schall an Grenzflächen unterschiedlicher akustischer Medien diskutieren. Um die prinzipielle Funktionsweise des Mittelohrs als mechanischer Impedanzwandler zu erklären, argumentieren sie mit dem Druck und wenden das Hebelgesetz an.
  • begründen mithilfe der Wanderwellentheorie sowie der Resonanzeigenschaften von Masse‑Feder-Systemen das Schwingungsverhalten der Basilarmembran im Innenohr und darauf beruhend die Fähigkeit zu amplituden- und frequenzselektiver Wahrnehmung.
  • beschreiben die wichtigsten Bestandteile des Corti‘schen Organs und stellen insbesondere die unterschiedlichen Aufgaben von inneren und äußeren Haarzellen beim Hörprozess gegenüber. Aus verschiedenen Quellen erschließen sie sich selbständig Kenntnisse zu Subsystemen des Ohres und verwenden diese Kenntnisse, z. B. bei Präsentationen, sach- und adressatengerecht in mündlicher und schriftlicher Form.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Grundkenntnisse zur Akustik: Experimente zur Interferenz von Schallwellen, Schallgeschwindigkeit, Frequenzspektren, Schalldruck, Schallintensität, Schalldruckpegel
  • Außenohr und Richtungshören: Laufzeitunterschiede zwischen den Ohren, Superposition von direkt einfallenden und reflektierten Schallanteilen
  • Mittelohr: Aufbau des Mittelohrs, Reflexion und Transmission von Schall an Grenzflächen, Definition der Impedanz, Mechanismen der Impedanzanpassung im Mittelohr
  • Innenohr: Aufbau des Innenohrs, Schwingungsverhalten der Basilarmembran, Corti‘sches Organ

PhBio11 Lernbereich 3: Strahlenbiophysik und medizintechnische Anwendungen (ca. 26 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben elektrische Felder mithilfe der Feldstärke und des Potentials und veranschaulichen diese durch Feldlinienbilder. Sie modellieren mithilfe eines Plattenkondensators geeignete medizintechnische und biophysikalische Sachzusammenhänge. Insbesondere schätzen sie die Kapazität eines Axonabschnitts ab und beschreiben die Bewegung geladener Teilchen im elektrischen Längsfeld quantitativ.
  • nehmen selbständig die Äquipotentiallinien eines elektrischen Dipolfeldes auf. Im Versuchsprotokoll stellen sie einen Zusammenhang zwischen ihrem Ergebnis und dem EKG her; hierfür verwenden sie geeignetes Informationsmaterial.
  • beschreiben magnetische Felder mithilfe der Flussdichte und nutzen ihre Kenntnisse zu Lorentzkraft und Newton’scher Mechanik zur nichtrelativistischen Beschreibung von Kreisbahnen geladener Teilchen in homogenen Magnetfeldern.
  • erläutern das Funktionsprinzip des Zyklotrons als klassischer Teilchenbeschleuniger und beschreiben seine Bedeutung bei der Herstellung von Radionukliden. Unter Zuhilfenahme geeigneter Fachtexte diskutieren sie Nutzen und Risiken nuklearmedizinischer Anwendungen, insbesondere der Radionuklidtherapie und der PET‑Untersuchung.
  • erklären anhand des prinzipiellen Aufbaus einer Röntgenröhre die Erzeugung von Röntgenstrahlung und die Entstehung des Röntgenspektrums. Sie erläutern die Bragg‑Reflexion am Einkristall und darauf aufbauend die Bestimmung der Wellenlänge von Röntgenstrahlung.
  • nutzen ihre Kenntnisse über die biologische Wirkung von Röntgenstrahlung, um Gefahren bei einer medizinischen Röntgenuntersuchung zu bewerten. Den Photoeffekt führen sie hierbei exemplarisch für einen Wechselwirkungsprozess zwischen Röntgenstrahlung und Materie an.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Grundkenntnisse zu elektrischen Feldern: Elektrosensorik in der Biologie, Feldlinienbilder, elektrische Feldstärke und elektrisches Potential als feldbeschreibende Größen, homogenes elektrisches Feld, Kapazität eines Plattenkondensators
  • Schülerexperiment Bestimmung der Äquipotentiallinien eines elektrischen Dipols und Funktionsprinzip des EKG
  • Grundkenntnisse zu magnetischen Feldern: elektrische Ströme als Ursache magnetischer Felder, magnetische Flussdichte, Lorentzkraft
  • nichtrelativistische Beschreibung der Bewegung geladener Teilchen in elektrischen Längsfeldern und homogenen Magnetfeldern, Fadenstrahlrohr, Zyklotron als klassischer Teilchenbeschleuniger zur Erzeugung von Radionukliden, Einblick in die PET-Untersuchung, die Radionuklidtherapie und die Protonentherapie
  • Röntgenstrahlung: Aufbau der Röntgenröhre und Entstehung von Röntgenstrahlung, Röntgenspektrum, Mitteilung des quantitativen Zusammenhangs zwischen Photonenenergie und Wellenlänge, Wellenlängenbestimmung mithilfe von Bragg‑Reflexion, Photoeffekt als ein Wechselwirkungsprozess von Röntgenstrahlung mit Materie, biologische Wirkung von Röntgenstrahlung

PhBio11 Lernbereich 4: Neuronale Signalleitung (ca. 24 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben den Aufbau einer Nervenzelle und stellen im Zusammenhang mit der Zellmembran die wesentlichen Eigenschaften verschiedener Ionenkanäle einander gegenüber. Das Ruhepotential führen sie auf einen Gleichgewichtszustand zurück, indem sie mit dem sich aufbauenden Ladungsgefälle und der Diffusion argumentieren. Anhand einer Simulation zur Diffusion verdeutlichen sie deren statistischen Charakter.
  • modellieren unter Anleitung ein Axonsegment als elektrischen Ersatzschaltkreis und identifizieren Membranwiderstand, Membrankapazität sowie Axonwiderstand mit den biologischen Entsprechungen. Indem sie im Rahmen der Modellierung des Axons mehrere Axonsegmente hintereinander schalten, entwickeln sie das Kabelmodell.
  • messen den exponentiell abfallenden Spannungsverlauf an einer Widerstandsleiter. Sie diskutieren anhand ihrer Messwerte, wie sich Änderungen des Membran- und des Axialwiderstands auf den Spannungsverlauf auswirken und für welche Widerstandsverhältnisse die Längskonstante maximal wird.
  • diskutieren anhand der Ladekurve eines Kondensators den zeitlichen Aufbau des Signals bei der passiven Signalleitung in Abhängigkeit von der Membrankapazität.
  • wählen aus verschiedenen, auch selbständig recherchierten Quellen Informationen zur aktiven Signalleitung aus und verwenden diese für fachliche Schlussfolgerungen. Sie erklären die bei der zeitlichen Entwicklung des Signals ablaufenden Prozesse anhand der spezifischen Aufgaben der Kalium- und Natrium-Ionenkanäle.
  • stellen einen Zusammenhang zwischen der Axongeometrie und der Membrankapazität her und begründen, warum bei der saltatorischen Signalleitung die Myelinisierung des Axons einen schnelleren Signalaufbau und ein rascheres Erreichen der Schwellenspannung bewirkt. Sie reflektieren den Aufbau der Nervenzelle im Hinblick auf eine effektive Signalleitung.
  • beschreiben am Beispiel einer Stäbchenzelle exemplarisch die Auslösung eines Aktionspotentials durch einen Sinnesreiz. Sie wählen aus verschiedenen, auch selbständig recherchierten Quellen bestimmte optische Täuschungen aus, deren Zustandekommen sie mithilfe ihrer Kenntnisse über Verschaltungsprinzipien oder den Eigenschaften des Rhodopsinzyklus erklären.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Nervenzellen: Aufbau von Nervenzellen, Eigenschaften der Zellmembran und von Ionenkanälen, Diffusion und Ladungsgefälle als Antriebsmechanismen für Ionen, Ruhepotential als Gleichgewichtszustand, Simulation der Diffusion mithilfe einer Tabellenkalkulation
  • Modellierung eines Axonsegments als elektrischer Ersatzschaltkreis, Membranwiderstand, Membrankapazität, Axialwiderstand und ihre biologischen Entsprechungen
  • passive Signalleitung: Kabelmodell des Axons, Widerstandsleiter als reduziertes Kabelmodell, Einfluss des Axial- und des Membranwiderstands auf die Längskonstante, zeitlicher Signalaufbau
  • Schülerexperiment Untersuchung des exponentiell abfallenden Spannungsverlaufs an der Widerstandsleiter
  • aktive Signalleitung: Einfluss der Membrankapazität auf das Erreichen einer Schwellenspannung, Aufgaben der beteiligten Ionenkanäle, zeitliche Entwicklung des Signals
  • saltatorische Signalleitung, Einfluss der Myelinscheide auf den Aufbau und die Ausbreitung des Signals
  • Auslösen eines Aktionspotentials durch einen Sinnesreiz, Enzymkaskade in einer Stäbchenzelle als Beispiel einer Verstärkung, Anpassung der Empfindlichkeit, elementare Verschaltungsprinzipien von Nervenzellen, optische Täuschungen