Lehrplan PLUS

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Astrophysik 12

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

PhA12 Lernbereich 1: Orientierung am Himmel (ca. 7 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • orientieren sich am Nachthimmel mit Unterstützung einer Sternkarte oder geeigneter Software, die zur Vorbereitung von Beobachtungsabenden genutzt werden kann. Sie klassifizieren die wesentlichen, mit bloßem Auge beobachtbaren Objekte und treffen unter Berücksichtigung von räumlichen und zeitlichen Aspekten grundlegende Aussagen über deren Sichtbarkeit.
  • beschreiben die verschiedenen Konstellationen von Planeten anhand von Zeichnungen und stellen Zusammenhänge zwischen diesen und der Sichtbarkeit der Planeten am Nachthimmel her. Am Beispiel der Schleifenbahnen von Planeten erläutern sie historisch bedeutsame Erweiterungen und Umbrüche bei der modellhaften Beschreibung der Planetenbahnen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Betrachtung von Sternbildern und astronomischen Objekten (auch Aufnahmen von Galaxien und Nebeln in unterschiedlichen Spektralbereichen), typische astronomische Entfernungen
  • drehbare oder computergestützte Sternkarte, Deklination und Höhe
  • scheinbare Bewegung der Sonne, Schleifenbahnen der Planeten, Konstellationen von Planeten, siderische und synodische Umlaufdauer

PhA12 Lernbereich 2: Das Sonnensystem (ca. 11 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern, dass die Kenntnis der Astronomischen Einheit wesentlich ist, um auf absolute Entfernungen im Sonnensystem schließen zu können und entwickeln unter Zuhilfenahme eines einführenden Fachtextes eine Methode, diese grundlegende Längeneinheit der Astrophysik zu ermitteln.
  • erläutern, dass das Gravitationsgesetz im Vergleich zu den Kepler’schen Gesetzen einen fundamentaleren Charakter besitzt, indem sie u. a. das 3. Kepler’sche Gesetz für den Spezialfall einer Kreisbahn aus dem Gravitationsgesetz herleiten. Sie nutzen das Gravitationsgesetz sowie grundlegende Kenntnisse zur Ellipse für quantitative Betrachtungen, insbesondere um Massen und Bahnparameter von Objekten im Sonnensystem zu bestimmen.
  • klassifizieren sicher die Himmelskörper des Sonnensystems anhand ihrer wesentlichen physikalischen Eigenschaften. Insbesondere recherchieren sie im Zusammenhang mit vorgegebenen Fragestellungen, z. B. zur Dichte von Planeten, Informationen, die sie ordnen und für weiterführende fachliche Schlussfolgerungen nutzen.
  • leiten aus dem Gravitationsgesetz die Größengleichung der potentiellen Energie einer Masse im Gravitationsfeld und mithilfe des Energiekonzepts die zweite kosmische Geschwindigkeit her. Sie diskutieren unter Berücksichtigung physikalischer und außerfachlicher Aspekte den Nutzen von Raumfahrtmissionen für die Gesellschaft.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Gravitationsgesetz und Kepler’sche Gesetze, ein Verfahren zur Bestimmung der Astronomischen Einheit
  • Klassifizierung von Planeten, Unterscheidung von Planeten, Monden, Zwergplaneten, Asteroiden, Kometen und Meteoriten
  • Bestimmung der Bahnparameter und Massen von Planeten und Monden, Hinweis auf allgemeine Form des 3. Kepler’schen Gesetzes, potentielle Energie im Gravitationsfeld, künstliche Satelliten und Raumsonden

PhA12 Lernbereich 3: Die Sonne (ca. 15 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • schätzen ausgehend von Messdaten einer erdgebundenen Sonnenbeobachtung die Masse, den Radius sowie die Leuchtkraft der Sonne ab. Sie beschreiben, wie sich mithilfe der Beobachtung von Sonnenflecken die Rotation der Sonne nachweisen lässt.
  • verdeutlichen durch verschiedene Argumentationen, dass die Energieerzeugung im Zentralbereich der Sonne auf Kernfusion beruht. Sie führen quantitative Betrachtungen zu Fusionsprozessen durch; insbesondere bestimmen sie die freiwerdende Energie beim Proton‑Proton-Zyklus. Sie beschreiben den Energietransport vom Zentralbereich der Sonne zur Oberfläche und gehen hierbei auf den Aufbau der Sonne ein.
  • diskutieren unter Zuhilfenahme vorgegebener oder selbständig recherchierter Informationen die Bedeutung der Überwachung des Weltraumwetters sowie Zusammenhänge zwischen Änderungen des solaren Magnetfelds, dem Auftreten von Sonnenflecken und Phasen hoher Sonnenaktivität.
  • deuten die Fraunhoferlinien als Absorptionslinien, erklären deren Entstehung und schätzen mithilfe der Strahlungsgesetze von Stefan‑Boltzmann und Wien die Oberflächentemperatur der Sonne ab.
  • setzen Strahlungsgleichgewichte an, um Temperaturen abzuschätzen, insbesondere die mittlere Oberflächentemperatur von Himmelskörpern. Sie reflektieren die hierbei getroffenen Annahmen und interpretieren ermittelte Temperaturwerte in einem gegebenen Sachkontext. Beispielsweise beurteilen sie, ob sich Leben auf der Basis von Wasser auf einem bestimmten Exoplaneten entwickeln könnte.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Zustandsgrößen der Sonne: Radius, Masse, Solarkonstante und Leuchtkraft
  • Energieerzeugung im Inneren der Sonne: Proton‑Proton-Zyklus und Berechnung der hierbei freiwerdenden Energie, Hinweis auf CNO‑Zyklus
  • Aufbau der Sonne, Energietransport in der Sonne
  • Rotation der Sonne, Sonnenflecken, Magnetfeld der Sonne
  • Spektrum der Sonne, Absorptionslinien
  • Stefan-Boltzmann-Gesetz und Wien’sches Verschiebungsgesetz, Oberflächentemperatur der Sonne, Hinweis auf Exoplaneten

PhA12 Lernbereich 4: Sterne (ca. 17 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • nutzen die trigonometrische Parallaxe zur Entfernungsbestimmung von Sternen und diskutieren die Anwendbarkeit dieser Methode. Sie führen die scheinbar geringen Eigenbewegungen von Sternen auf deren große Entfernung zurück, zerlegen die Geschwindigkeit von Sternen in eine tangentiale und eine radiale Komponente und führen in diesem Zusammenhang quantitative Betrachtungen, z. B. ausgehend von gegebenen Messwerten, durch.
  • diskutieren anhand von Größengleichungen Beziehungen zwischen den Größen Scheinbare Helligkeit, Absolute Helligkeit und Leuchtkraft. Sie verdeutlichen die große Bedeutung von Strahlungsspektren für die Erkenntnisgewinnung, indem sie Zusammenhänge zwischen Spektren, Spektralklassen und Oberflächentemperaturen von Sternen herstellen sowie Schlussfolgerungen aus den Änderungen von Absorptionslinien ziehen, die durch den Dopplereffekt verursacht werden.
  • erstellen ein Hertzsprung‑Russell-Diagramm und kennzeichnen darin die Lage der wichtigsten Sterntypen. Sie nutzen dieses Diagramm, um Entfernungen von Sternen zu bestimmen und Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen von Sternen zu diskutieren.
  • stellen quantitative Betrachtungen zum Zweikörperproblem an und reflektieren Grenzen der Anwendbarkeit dieses Modells zur Massenbestimmung bei Sternsystemen. Sie verdeutlichen, dass in allen Entwicklungsstadien eines Sterns die Masse die entscheidende Zustandsgröße ist: Sie beschreiben im Hertzsprung‑Russell-Diagramm die Entwicklung eines Sterns und prognostizieren unter Berücksichtigung der Anfangsmasse und des Massenverlustes sein Endstadium. Für Hauptreihensterne stellen sie quantitative Betrachtungen zur Beziehung von Masse und Leuchtkraft sowie zur Verweildauer auf der Hauptreihe an.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Entfernungsbestimmung von Sternen mithilfe deren trigonometrischer Parallaxen
  • Eigenbewegung von Sternen, Dopplereffekt und Radialbewegung
  • Scheinbare und Absolute Helligkeit, Entfernungsmodul, Leuchtkraft
  • Spektralklasse, Oberflächentemperatur, Sternradius
  • Hertzsprung-Russell-Diagramm: spektroskopische Entfernungsbestimmung; Bereiche der Sterntypen Hauptreihensterne, Riesen und Weiße Zwerge
  • Sternmassen: Massenbestimmung für Doppelsterne, Masse‑Leuchtkraft-Beziehung für Hauptreihensterne
  • Hertzsprung-Russell-Diagramm: Überblick über die verschiedenen Entwicklungsstadien und Endzustände von Sternen, Alter von Sternhaufen

PhA12 Lernbereich 5: Großstrukturen im Weltall (ca. 13 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben den Aufbau der Milchstraße und nutzen ihre Kenntnisse zum Gravitationsgesetz sowie zu den Kepler’schen Gesetzen zum Abschätzen von Massen, insbesondere der Gesamtmasse der Milchstraße und der Masse des Schwarzen Lochs in ihrem Zentrum. Anhand der Betrachtung von Rotationskurven von Galaxien schließen sie auf die Existenz Dunkler Materie.
  • beschreiben Vorgehensweisen zur Entfernungsbestimmung von Galaxien auf der Grundlage ihrer Kenntnisse zu Cepheiden und Supernovae sowie ausgehend vom Hubble‑Gesetz. Sie erkennen, dass gesicherte Erkenntnisgewinnung über Entfernungen auf dem Zusammenspiel dieser Verfahren beruht.
  • führen die Galaxienflucht und die kosmische Hintergrundstrahlung als wichtige Argumente für das Urknall-Modell an und schätzen mit der Hubble‑Beziehung das Alter des Universums ab. Sie benennen ungelöste Problemstellungen der Kosmologie und reflektieren Auswirkungen astrophysikalischer Erkenntnisse (auch auf das eigene Weltbild).
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Aufbau und Abmessungen der Milchstraße, Abschätzung ihrer Masse
  • Rotationskurven von Galaxien, Dunkle Materie
  • Entfernungsbestimmung von Galaxien mithilfe von Cepheiden und Supernovae
  • kosmische Rotverschiebung, Hubble-Gesetz
  • Kosmologie: Expansion des Universums, kosmische Hintergrundstrahlung, Einblick in das Urknall-Modell, Größe und Alter des Universums, Hinweis auf Dunkle Energie