Kompetenzerwartungen
Die Schülerinnen und Schüler ...
- argumentieren in verschiedenen fachlichen Kontexten mit dem elektrischen und magnetischen Feldbegriff. Für quantitative Betrachtungen nutzen sie Größengleichungen für die elektrische Feldstärke sowie die magnetische Flussdichte. Unter Berücksichtigung grundlegender Eigenschaften elektrischer bzw. magnetischer Feldlinien zeichnen und interpretieren sie Feldlinienbilder.
- nutzen im Zusammenhang mit dem elektrischen Feld einer Punktladung das Coulomb‑Gesetz für quantitative Aussagen. Die Superposition der elektrischen Felder von Punktladungen veranschaulichen sie zeichnerisch unter Verwendung von Vektorpfeilen.
- führen Analogiebetrachtungen zwischen elektrischen Feldern und Gravitationsfeldern durch (auch anhand der strukturellen Übereinstimmung von Größengleichungen). Insbesondere erläutern sie das Potential eines homogenen elektrischen Feldes, indem sie die Analogie zwischen diesem Feld und dem Gravitationsfeld nahe der Erdoberfläche nutzen.
- bestimmen im Rahmen eines Experiments selbständig Äquipotentiallinien eines elektrischen Feldes und interpretieren hierbei die Spannung als Potentialdifferenz. Im Versuchsprotokoll vergleichen sie ihre Ergebnisse mit den theoretisch zu erwartenden Äquipotentiallinien.
- erläutern Aufbau, Durchführung und Auswertung eines Experiments, das zur Definition der Kapazität eines Kondensators führt, und diskutieren Größenabhängigkeiten bei einem Plattenkondensator, der als Ladungs- bzw. Energiespeicher verwendet wird. In geeigneten Kontexten nutzen sie den Plattenkondensator auch als Modell.
- nehmen selbständig ein Zeit‑Stromstärke-Diagramm bei der Entladung eines Kondensators auf und untersuchen Auswirkungen bei Veränderung der Versuchsparameter. Sie entnehmen dem Diagramm die ursprünglich im Kondensator gespeicherte Ladung und diskutieren Abweichungen vom theoretisch zu erwartenden Wert. Den theoretischen Hintergrund dieser Auswertung stellen sie unter Zuhilfenahme von Fachtexten im Versuchsprotokoll dar.
- erläutern Aufbau, Durchführung und Auswertung des Fadenstrahlrohr-Experiments zur Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons. Zur nichtrelativistischen Beschreibung von Bewegungen geladener Teilchen in homogenen elektrischen Längsfeldern und homogenen Magnetfeldern nutzen sie auch Kenntnisse über die Newton’sche Mechanik und über das Energiekonzept.
- erläutern den Hall‑Effekt sowie die grundlegende Funktionsweise eines einfachen Massenspektrometers. Das Zusammenwirken elektrischer und magnetischer Felder beschreiben sie hierbei quantitativ.
Inhalte zu den Kompetenzen:
- Grundkenntnisse zu elektrischen Feldern: Eigenschaften elektrischer Feldlinien und Feldlinienbilder, elektrische Influenz, Definition der elektrischen Feldstärke über die Kraft auf eine Probeladung
- Coulomb‑Gesetz, elektrische Feldstärke einer Punktladung, Superposition der elektrischen Felder zweier Punktladungen
- das homogene elektrische Feld: potentielle Energie einer Probeladung im Plattenkondensator, Potential, Spannung als Potentialdifferenz, Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke
- Schülerexperiment Eigenschaften von Äquipotentiallinien und Potentialmessungen im elektrischen Feld
- nichtrelativistische Beschreibung der Bewegung geladener Teilchen in homogenen elektrischen Längsfeldern
- Plattenkondensator als Ladungs- und Energiespeicher: Kapazität, Abhängigkeit der Kapazität von geometrischen Daten des Kondensators und der Permittivitätszahl, Energieinhalt des elektrischen Feldes eines Plattenkondensators
- Schülerexperiment Ausschaltvorgang bei einem RC‑Glied
- Grundkenntnisse zu magnetischen Feldern: Feldlinienbilder, elektrische Ströme als Ursache von magnetischen Feldern, Definition der magnetischen Flussdichte über die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter, magnetische Flussdichte und Feldlinienverlauf im Innern einer langgestreckten Spule
- nichtrelativistische Beschreibung der Bewegung geladener Teilchen in homogenen Magnetfeldern: Lorentzkraft, Kreisbahnen bewegter Ladungen, Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons, Hall‑Effekt und Funktionsprinzip der Hall‑Sonde
- Massenspektrometer bestehend aus Wienfilter und homogenem Magnetfeld