Lehrplan PLUS

Direkt zur Hauptnavigation springen, zur Servicenavigation springen, zur Seitennavigation springen, zu den Serviceboxen springen, zum Inhalt springen

Physik 11 – Das physikalische Weltbild im Wandel

gültig ab Schuljahr 2023/24

In der Jahrgangsstufe 11 erkennen die Schülerinnen und Schüler, dass das physikalische Weltbild sowohl durch neue experimentelle Erkenntnisse als auch durch die Weiterentwicklung physikalischer Modelle stetigem Wandel unterworfen ist. Von Überlegungen zum Aufbau des Universums über die Betrachtung mechanischer Phänomene im Alltag bis hin zur Untersuchung der Natur des Lichts erfahren sie die Mächtigkeit physikalischer Modelle unserer Welt. An den Beispielen des astronomischen Weltbildes, unserer Vorstellung von Licht und anhand der Speziellen Relativitätstheorie erkennen die Schülerinnen und Schüler, wie sich in der Physik Modellvorstellungen weiterentwickeln und zu einem tieferen Verständnis führen. Im Rahmen der Modellierung physikalischer Systeme gewinnt die Herleitung mathematischer Zusammenhänge zunehmend an Bedeutung. Im NTG wird dieser Blick auf die Physik durch die Modellierung mithilfe von Computersimulationen abgerundet.

In Phasen eigenverantwortlichen Erarbeitens physikalischer Inhalte wenden die Schülerinnen und Schüler die in der Mittelstufe erworbenen prozessbezogenen Kompetenzen an und entwickeln dabei grundlegende Arbeitsweisen weiter, die für die Qualifikationsphase und die allgemeine Hochschulreife von zentraler Bedeutung sind.

Die formulierten Kompetenzerwartungen orientieren sich an den Bildungsstandards für die allgemeine Hochschulreife. Die Entwicklung der in den Bildungsstandards beschriebenen Kompetenzen wird in der Qualifikationsphase weitergeführt bis hin zur Abiturprüfung.

Hinweis: In der Wissenschaftswoche erarbeiten die Schülerinnen und Schüler im zeitlichen Umfang einer Woche fachspezifische Zugänge zu einem fächerübergreifenden Rahmenthema, insbesondere in Vorbereitung auf das Wissenschaftspropädeutische Seminar.

Ph11 Lernbereich 1: Kreisbewegung (ca. 13 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • übertragen durch Analogiebetrachtungen Größen zur Beschreibung geradliniger Bewegungen auf die Kreisbewegung. Sie erklären das Zustandekommen von Kreisbewegungen und grenzen die Zentripetalkraft von der Zentrifugalkraft ab.
  • formulieren ausgehend von Alltagserfahrungen und physikalischen Vorkenntnissen Hypothesen zur Abhängigkeit der Zentripetalkraft von verschiedenen Größen. Sie leiten mithilfe geometrischer Überlegungen zur Kreisbewegung einen Term für die Berechnung der Zentripetalkraft her. Zur Überprüfung dieses Ausdrucks planen sie selbständig geeignete Experimente, führen sie vorzugsweise unter Zuhilfenahme von elektronischen Sensoren durch und werten die erhaltenen Daten selbständig aus. Sie reflektieren den Erkenntnisweg, insbesondere die Relevanz des Experiments für das Überprüfen von Hypothesen, sowie das grundlegende Funktionsprinzip des verwendeten Sensors und die Genauigkeit der Ergebnisse.
  • führen quantitative Betrachtungen zu Kreisbewegungen in Alltag und Technik durch, wobei sie jeweils die Kraft identifizieren, die als Zentripetalkraft wirkt. Auf der Grundlage recherchierter, abgeschätzter und berechneter Werte bewerten sie u. a. kritische Situationen im Straßenverkehr und diskutieren mögliche Sicherheitsvorkehrungen. Sie stellen ihre Ergebnisse in Form einer adressatenbezogenen Stellungnahme dar.
  • modellieren mithilfe des Gravitationsgesetzes die Bewegung von Himmelskörpern und Satelliten als Kreisbewegung.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Kreisbewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, Zentripetalkraft
  • Schülerexperiment: Abhängigkeit der Zentripetalkraft von verschiedenen Größen
  • Newton’sches Gravitationsgesetz

Ph11 Lernbereich 2: Schwingungen und Wellen (ca. 21 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben und interpretieren Diagramme zu verschiedenen schwingungsfähigen Systemen anhand ihrer charakteristischen Größen.
  • formulieren für die Schwingung eines Fadenpendels Hypothesen über die Abhängigkeit der Schwingungsdauer von anderen Größen. Zur Überprüfung dieser Hypothesen führen sie ein selbständig geplantes Experiment durch und verifizieren insbesondere den näherungsweise quadratischen Zusammenhang zwischen Periodendauer und Pendellänge mithilfe einer graphischen Auswertung. Sie benennen Fehlerquellen sowie Möglichkeiten der Fehlerminimierung und quantifizieren die Genauigkeit einer mehrfach gemessenen Größe unter Verwendung geeigneter statistischer Kenngrößen.
  • identifizieren Longitudinal- und Transversalwellen in Alltagsbeispielen. Sie beschreiben die Ausbreitung mechanischer Wellen mithilfe eines geeigneten Modells und nutzen digitale Medien zur Veranschaulichung.
  • erkennen Beugung und Interferenz als typische Wellenphänomene. Sie argumentieren zur Erklärung von Alltagsphänomenen und experimentellen Beobachtungen zur Interferenz mechanischer Wellen mit dem Superpositionsprinzip. Insbesondere begründen sie das Zustandekommen von konstruktiver und destruktiver Interferenz bei zwei Wellenzentren mit dem Gangunterschied.
  • untersuchen monochromatisches Licht am Doppelspalt, interpretieren das Schirmbild qualitativ mithilfe des Wellenmodells und formulieren einen Zusammenhang zwischen Farbe und Wellenlänge des Lichts.
  • vergleichen das Photonen- und das Wellenmodell des Lichts, insbesondere unter dem Aspekt ihrer jeweiligen Anwendbarkeit.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • mechanische Schwingungen, harmonische Schwingung
  • Schülerexperiment: Untersuchung der Schwingungsdauer eines Fadenpendels
  • mechanische Wellen: Longitudinal- und Transversalwellen, Zusammenhang zwischen Phasengeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge
  • Beugung, Superpositionsprinzip, Zweistrahlinterferenz und Gangunterschiede für konstruktive und destruktive Interferenz, stehende Wellen
  • Wellenmodell des Lichts und Interferenz am Doppelspalt
  • Abgrenzung von Photonen- und Wellenmodell des Lichts

Ph11 Lernbereich 3: Eigenverantwortliche Arbeit an physikalischen Themen (ca. 20 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Die Inhalte dieses Lernbereichs zeigen in besonderer Weise die Bedeutung physikalischer Erkenntnisse für den eigenen Alltag und für die Teilhabe an gesellschaftlich relevanten Diskursen sowie den Einfluss des physikalischen Weltbildes auf die Kulturgeschichte der Menschheit auf. Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten sich in längeren Phasen eigenverantwortlichen Arbeitens Inhalte in einem größeren Zusammenhang selbständig und setzen sich so besonders intensiv mit diesen Themen auseinander. In der Regel erfolgt dies in Form von arbeitsteiliger Gruppenarbeit, wobei die Schülerinnen und Schüler ihre Kompetenzen hinsichtlich der Zusammenarbeit in Teams unter Verwendung digitaler Kommunikationswerkzeuge weiterentwickeln. Plenumsphasen sichern an geeigneten Stellen einen einheitlichen Lernfortschritt der gesamten Lerngruppe. Diese Vorgehensweise spiegelt sich in den angegebenen Stundenzahlen wider.

Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich Informationen aus unterschiedlichen, auch in digitaler Form vorliegenden Quellen sowie digitalen Lernumgebungen. Sie stellen Rechercheergebnisse aus mehreren Quellen einander gegenüber und prüfen sie auf Übereinstimmungen und Differenzen sowie auf Relevanz für die gegebene Fragestellung. Die Schülerinnen und Schüler nutzen digitale Werkzeuge, um ihre Rechercheergebnisse zusammenzufassen und zu strukturieren, bereiten ihre Arbeitsergebnisse unter Verwendung geeigneter Darstellungsformen adressatengerecht auf und präsentieren sie mithilfe selbst gewählter, verschiedenartiger Medien. Dabei verwenden sie schlüssige physikalische Argumentationsketten und belegen verwendete Quellen. In geeigneten Kontexten bilden sie sich kriteriengeleitet Meinungen und fällen Entscheidungen.

Durch eine Öffnung der Arbeitsmethoden in diesem Lernbereich werden insbesondere auch Kompetenzen geschult, die in der Qualifikationsphase und für die allgemeine Hochschulreife von besonderer Bedeutung sind.

Die einzelnen Abschnitte dieses Lernbereichs können im zeitlichen Verlauf geeignet mit Abschnitten der Lernbereiche 1 und 2 kombiniert werden.

Ph11 3.1 Astronomische Weltbilder (ca. 6 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • reflektieren Auswirkungen bedeutsamer Beobachtungen und physikalischer Theorien auf die Entwicklung des astronomischen Weltbilds in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen. Hierfür verwenden sie physikalische und historische Kenntnisse, die sie sich selbständig aus verschiedenen Quellen erschließen.
  • vergleichen zu ausgewählten Aspekten des modernen astronomischen Weltbildes jeweils die Inhalte einer vorgegebenen Quelle mit Rechercheergebnissen im Internet. Sie bereiten ihre Ergebnisse unter Verwendung geeigneter Darstellungen zu einer adressatengerechten Präsentation auf.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • historische Entwicklung: Wandel vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild, Kepler’sche Gesetze
  • Aspekte des modernen astronomischen Weltbilds (z. B. Urknall, Expansion des Universums, Struktur des Universums, Objekte im Universum)

Ph11 3.2 Einblick in die spezielle Relativitätstheorie (ca. 7 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • stellen wesentliche Aussagen der speziellen Relativitätstheorie auch quantitativ dar, indem sie anhand vorgegebener Fachtexte und digitaler Lernumgebungen Gedankenexperimente nachvollziehen und sachgerecht wiedergeben. Dabei identifizieren sie in Schlussfolgerungen aus den Einstein’schen Postulaten eine Struktur physikalischer Argumentationsketten und erkennen die Verifizierung von Vorhersagen einer Theorie als eine Funktion von Experimenten.
  • erläutern den begrenzten Gültigkeitsbereich der klassischen Mechanik exemplarisch anhand der veränderten Vorstellung von Raum und Zeit.
  • diskutieren u. a. am Beispiel der „Deutschen Physik“, wie sich gesellschaftliche und politische Entwicklungen auf die Wahrnehmung und Akzeptanz physikalischer Erkenntnisse auswirken.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Einstein’sche Postulate, Bezugssysteme
  • Relativität der Gleichzeitigkeit, Zeitdilatation, Längenkontraktion
  • Wissenschaft im Spannungsfeld gesellschaftlicher Interessen

Ph11 3.3 Energieversorgung (ca. 7 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern den Unterschied zwischen reversiblen und irreversiblen Vorgängen anhand eines selbst gewählten Beispiels und verdeutlichen, dass irreversible Vorgänge mit einer Energieentwertung verbunden sind. Sie ziehen daraus qualitative Schlussfolgerungen über Beschränkungen des Wirkungsgrades.
  • nehmen zu gesellschaftlich relevanten Fragen der Energieversorgung Stellung. Hierfür nutzen sie naturwissenschaftliche Daten, die sie nach vorgegebener Problemstellung berechnen oder aus unterschiedlichen Quellen selbständig recherchieren, und wägen im Rahmen einer Nutzwertanalyse Kriterien wie Wirkungsgrad, Ressourcenknappheit oder Auswirkungen auf die Umwelt gegeneinander ab. Sie entwickeln, z. B. im Rahmen eines Planspiels, eigene Positionen und begründen diese sachlich gegenüber Diskussionspartnern. Sie sind sich der Bedeutung der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise für die Objektivierung der Energiedebatte bewusst.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • reversible und irreversible Vorgänge, Energieentwertung, Wirkungsgrad
  • Überblick über Energiequellen und die aktuelle Struktur der Energieversorgung
  • zentrale Fragen der Energieversorgung: z. B. regionale und globale sowie zentrale und dezentrale Energieversorgung, Wirkungsgrad von Kraftwerken, Verfügbarkeit von Ressourcen und Potentiale unterschiedlicher Energieträger, Energietransport, Energiespeicherung und Ausbau der Energienetze, Umweltfragen
  • Energieeinsparpotentiale und Energieeffizienz im Kontext der persönlichen Lebensgestaltung

Ph11 Lernbereich 4: Profilbereich am NTG (27 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Im Profilbereich vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihre prozessbezogenen Kompetenzen in den Bereichen Erkenntnisse gewinnen, Kommunizieren und Bewerten. Die Lernbereiche 4.1, 4.2 und 4.3 sind verpflichtend.

Die unter 4.4 aufgeführte Inhaltsliste ist eine Vorschlagsliste, aus der einzelne Themen ausgewählt werden können; auch andere Themen (insbesondere aus der Technik), die sich an die Lernbereiche 1 bis 3 anlehnen, können Gegenstand des Unterrichts sein.

Ph11 4.1 Die Methode der kleinen Schritte (ca. 9 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erklären, dass Bewegungen unter dem Einfluss nichtkonstanter Kräfte näherungsweise beschrieben werden können, indem eine Zerlegung in kurze Zeitabschnitte betrachtet wird, in denen die jeweilige Kraft als konstant angenommen wird.
  • führen die Methode der kleinen Schritte unter Zuhilfenahme einer geeigneten Software für verschiedene Bewegungsabläufe selbständig durch. Sie interpretieren die hierbei gewonnenen Zeit‑Weg‑, Zeit‑Geschwindigkeit‑ und Zeit‑Beschleunigung-Diagramme, diskutieren die Güte dieser Methode und vergleichen Ergebnisse einer Simulation mit dem entsprechenden Realexperiment.
  • gewinnen Erkenntnisse über das Verhalten eines physikalischen Systems durch Untersuchung der Abhängigkeit der Ergebnisse seiner Simulation von den gewählten Parametern, z. B. Abhängigkeiten der Schwingungsdauer einer Federschwingung.
  • erläutern die Relevanz der Methode der kleinen Schritte in unterschiedlichen aktuellen Forschungsgebieten oder im Ingenieurwesen und erkennen dabei die Bedeutung der Physik für andere Wissenschaften.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Modellierung verschiedener Bewegungen, insbesondere mit nicht konstanter Beschleunigung, mit der Methode der kleinen Schritte: freier Fall mit Luftwiderstand, harmonische Schwingung
  • Einblick in aktuelle Anwendungen der Methode der kleinen Schritte

Ph11 4.2 Photovoltaik in Anwendungen (ca. 6 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • untersuchen experimentell die U‑I‑Kennlinie einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke und ermitteln den Maximum‑Power‑Point. Sie erkennen die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften eines Objekts als eine Funktion physikalischer Experimente.
  • erläutern die grundlegende Funktionsweise und die Bedeutung technischer Komponenten in Photovoltaikanlagen.
  • bewerten den Nutzen photovoltaischer Anlagen, indem sie eigene experimentelle Ergebnisse sowie Informationen aus Sachtexten, Tabellen und Diagrammen verwenden. Sie führen hierbei Abschätzungen und Berechnungen durch und beziehen außerfachliche Aspekte (z. B. ökologische, ökonomische, gesellschaftliche) ein.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Schülerexperiment: U‑I‑Kennlinie und elektrische Leistung einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke
  • ausgewählte technische Grundlagen von Photovoltaikanlagen, z. B. Wechselrichter, MPP-Tracker
  • Beitrag photovoltaischer Anlagen zur häuslichen und globalen Energieversorgung

Ph11 4.3 Außerunterrichtliche Aktivität (ca. 4 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Anknüpfend an Inhalte des bisherigen Unterrichts nehmen die Schülerinnen und Schüler an mindestens einer außerunterrichtlichen Aktivität teil, z. B. dem Besuch eines Schülerlabors oder einer naturwissenschaftlichen Sammlung eines Museums, einer Exkursion zu einem Industrieunternehmen, dem Besuch einer politischen Veranstaltung zu einem naturwissenschaftlichen oder technologischen Thema. Alternativ kann auch ein physikalisches Forschungsprojekt durchgeführt werden.

Die Aktivität ist so zu wählen, dass die Schülerinnen und Schüler mindestens zwei der folgenden Kompetenzen entwickeln können.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • entnehmen einer Diskussion oder einem Vortrag bzw. einer Veröffentlichung wesentliche fachliche Inhalte, Argumentationsmuster und Interessenlagen des Sprechers bzw. Autors.
  • reflektieren im Rahmen eines gesellschaftlich kontrovers diskutierten Themas Bewertungen, die sie Veröffentlichungen oder Diskussionen entnehmen, hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses und der Korrektheit verwendeter physikalischer Belege.
  • reflektieren die Verantwortung der naturwissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft und des einzelnen Naturwissenschaftlers für Gesellschaft und Politik.
  • formulieren in Bezug auf ein gesellschaftlich kontrovers diskutiertes Thema eine physikalisch fundierte Stellungnahme zu einer Diskussion, Präsentation oder Veröffentlichung.
  • präsentieren fachliche Informationen oder Forschungsergebnisse sach- und adressatengerecht unter Verwendung geeignet gewählter Darstellungsformen und Medien.
  • extrahieren z. B. aus Ausstellungen, Veröffentlichungen oder Vorträgen unterschiedliche Wege naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und stellen Vergleiche an.
  • führen einen Prozess der physikalischen Erkenntnisgewinnung an einem Beispiel selbst durch und interpretieren die Relevanz ihrer Ergebnisse z. B. für ihren Alltag oder die Wissenschaft.

Ph11 4.4 Vertiefung prozessbezogener Kompetenzen anhand ausgewählter weiterer Inhalte (ca. 8 Std.)
Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Analog zur Vorgehensweise im Lernbereich 3 ist es in diesem Lernbereich auch möglich, eigene Projekte, bei denen die zugrunde liegende Theorie selbständig erarbeitet werden muss, in umfangreicheren Experimenten zu bearbeiten und bis zur Präsentation der Ergebnisse zu entwickeln. Dabei lassen sich wesentliche Inhalte der Mittelstufe wieder aufgreifen und mit Blick auf die Qualifikationsphase wiederholen und vertiefen.
Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • führen selbständig hypothesengeleitet experimentelle Untersuchungen zu Alltagssituationen durch. Bei der Messwerterfassung, zur Auswertung und zur Darstellung ihrer Ergebnisse verwenden sie zielgerichtet auch digitale Werkzeuge. Sie ziehen Schlussfolgerungen aus den Resultaten ihrer Untersuchungen.
  • vertiefen physikalische Modellvorstellungen unter Einbeziehung moderner Forschungsergebnisse. Sie nutzen Modellierungen insbesondere in technischen Kontexten und reflektieren sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Gültigkeitsgrenzen dieser Modelle.
  • erörtern Gesundheitsrisiken und Sicherheitsfragen in Alltagskontexten sowie bei der Nutzung digitaler Technologien (z. B. digitale Kommunikation) und entwickeln auf Grundlage ihrer physikalischen Kenntnisse und außerphysikalischer Gesichtspunkte Handlungsoptionen für ihre eigene Lebensgestaltung.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Physik auf dem Jahrmarkt: Messung von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bzw. Kräften bei Fahrgeschäften, Scheinkräfte, Gesundheitsrisiken und Sicherheitsbestimmungen
  • Akustik: Untersuchungen an Instrumenten, Klanganalyse, Resonanzphänomene, Lautstärkewahrnehmung, Lärmschutz
  • Vertiefende Betrachtungen zum Thema Licht, insbesondere im Hinblick auf technische Anwendungen, z. B. Grundlagen der Datenübertragung mithilfe von Licht
  • Computermodellierung physikalischer Systeme: Modellbildungssysteme zur Vorhersage bei komplexeren, auch mehrdimensionalen physikalischen Systemen (z. B. schräger Wurf mit Luftwiderstand, Planetenbahnen), Einfluss der Anfangsbedingungen (starke und schwache Kausalität), chaotische Systeme, Vorhersagekraft von Simulationen, z. B. aus dem Bereich der Meteorologie oder der Wirtschaft