Lehrplan PLUS

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• beschreiben und erklären Beobachtungen und experimentelle Ergebnisse mithilfe des Konzepts von elektrischem und magnetischem Feld, auch unter Einsatz von Simulationen, die sie sach‑ und zielorientiert handhaben. Sie beschreiben die Aussage‑ und Vorhersagemöglichkeiten der Modellierung von alltagsrelevanten Sachverhalten und beachten die Grenzen der verwendeten Modelle. Sie beziehen Überlegungen im Rahmen des Feldkonzepts zurück auf Alltagssituationen und reflektieren Fragen der Generalisierbarkeit.
• nutzen bei quantitativen Betrachtungen Größengleichungen für die elektrische Feldstärke, die magnetische Flussdichte sowie die zugehörigen Kräfte.
• bestätigen anhand von Messwerten durch Regression den Term für die Coulombkraft.
• nutzen unter Zuhilfenahme von Pfeildarstellungen das Superpositionsprinzip zur Beschreibung der Überlagerung von Feldern, für den Fall paralleler und orthogonaler Felder auch rechnerisch.
• formulieren Hypothesen zur Abhängigkeit der vom Kondensator gespeicherten Ladung und Energie. Sie diskutieren die Eignung vorgegebener Experimente zur Überprüfung dieser Hypothesen und planen ihre Auswertung. Dabei reflektieren sie die Bedeutung von Experimenten für die physikalische Erkenntnisgewinnung.
• modellieren die Wirkung elektrischer Felder auf Materie anhand der Phänomene Influenz und Polarisation und erläutern die Auswirkung eines Dielektrikums auf die Kapazität eines Plattenkondensators, insbesondere im Kontext technischer Anwendungen im Alltag.
• modellieren den zeitlichen Verlauf von Spannung und Stromstärke bei der Auf‑ und Entladung eines Kondensators mithilfe von Differentialgleichungen und ermitteln die im Kondensator gespeicherte Ladung.
• beschreiben Analogien zwischen elektrischen, magnetischen und Gravitationsfeldern. Sie nutzen die Analogien zwischen elektrischem Feld und Gravitationsfeld insbesondere für die Beschreibung von Kraft, Feldstärke, Energie und Potential für das homogene und das radialsymmetrische Feld.
• entwickeln auf Grundlage der Definition der Spannung als Potentialdifferenz ein Messverfahren zur Bestimmung des Potentials bei einer vorgegebenen Ladungsverteilung.
• beschreiben, insbesondere auch in alltagsrelevanten Kontexten, quantitativ die Bewegung geladener Teilchen in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern. Hierzu wählen sie selbstständig geeignete Modellierungen und physikalische Konzepte. Im Zusammenhang mit hohen Geschwindigkeiten erläutern sie den beschränkten Gültigkeitsbereich der Newton’schen Mechanik und verwenden den relativistischen Impuls sowie die relativistische Energie. Sie erschließen sich zielgerichtet Informationen aus digitalen Lernumgebungen sowie für ihre Zwecke passenden selbst gewählten Quellen. Die recherchierten Informationen fassen sie zielorientiert zusammen und speichern sie strukturiert unter Verwendung geeigneter digitaler Werkzeuge. Ihre Arbeitsergebnisse dokumentieren sie unter Verwendung geeigneter Darstellungsformen und schlüssiger physikalischer Argumentationsketten.
• erschließen sich physikalische Grundlagen sowie technische Umsetzungen von Hall‑Effekt und Hall‑Sonde, eines Massenspektrometers sowie eines einfachen Teilchenbeschleunigers und präsentieren mit ziel‑ und sachgerechter Schwerpunktsetzung ihre Ergebnisse in passender Struktur und unter Verwendung korrekter Fachsprache mithilfe selbst gewählter, auch digitaler Medien unter Berücksichtigung formaler und ästhetischer Gestaltungskriterien. Dabei beachten sie die Urheberschaft, belegen verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Eigenschaften elektrischer Feldlinien, Feldlinienbilder (u. a. homogenes Feld, Radialfeld einer Punktladung, Dipolfeld), Definition der elektrischen Feldstärke über die Kraft auf eine Probeladung
• Coulombkraft, Feldstärke für das elektrische radialsymmetrische Feld
• Superposition von Feldern
• Kapazität, Abhängigkeit der Kapazität eines Plattenkondensators von seinen geometrischen Daten, Energieinhalt des elektrischen Feldes eines Plattenkondensators, technische Anwendungen als Energiespeicher, Experimentelles Arbeiten: Kapazitätsmessungen
• Materie im elektrischen Feld, Dielektrikum im Plattenkondensator, Dielektrizitätszahl
• Auf‑ und Entladevorgang bei einem RC‑Glied, Prinzip der Ladungsmessung durch graphische Integration, Experimentelles Arbeiten: Auf- und Entladevorgang beim Kondensator
• potentielle Energie einer Probeladung im Plattenkondensator, Potential, Spannung als Potentialdifferenz, Zusammenhang zwischen Spannung und elektrischer Feldstärke, Experimentelles Arbeiten: Potentialmessungen
• EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: geladene Teilchen in homogenen elektrischen Längs- und Querfeldern, relativistischer Impuls, relativistische Energie, Energie‑Impuls-Beziehung, Experimentelles Arbeiten: Bahnen geladener Teilchen im elektrischen und magnetischen Feld
• Definition der magnetischen Flussdichte; magnetische Flussdichte, Einfluss von Materie auf das Magnetfeld und Energie des Feldes im Innern einer langgestreckten Spule; Experimentelles Arbeiten: Messungen mit der Hall‑Sonde
• EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: Lorentzkraft, Beschreibung der Kreisbahnen geladener Teilchen in homogenen Magnetfeldern, Experimentelles Arbeiten: Bahnen geladener Teilchen im elektrischen und magnetischen Feld
• EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: technische Anwendungen: Geschwindigkeitsfilter, Massenspektrometer, Hall‑Effekt und Funktionsprinzip der Hall‑Sonde, Teilchenbeschleuniger

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• identifizieren und entwickeln Fragestellungen zu Induktionsphänomenen sowie Induktionsvorgängen in einer Spule, zu deren Bearbeitung sie das Induktionsgesetz und das Energiekonzept unter besonderer Beachtung einer kausal korrekten Argumentationsstruktur nutzen. Um Abhängigkeiten zwischen Größen darzustellen bzw. Beziehungen herzuleiten und Strukturen in experimentellen Daten zu erklären, kombinieren sie geeignete Größengleichungen und verwenden funktionale Zusammenhänge sowie ihre Darstellung in Diagrammen, Ableitungsfunktionen und graphische Integrationen, auch in komplexeren Kontexten.
• erklären die Selbstinduktion in einer Spule beim Ein‑ und Ausschalten des Stroms mit Fokus auf einer kausal korrekten Argumentationsstruktur. Sie beurteilen Nutzen und Risiken hoher Selbstinduktionsspannungen, auch im Zusammenhang mit technischen Anwendungen. Sie tauschen sich mit anderen konstruktiv über ihre Betrachtungen aus, wobei sie ihre Ergebnisse vertreten, reflektieren und gegebenenfalls korrigieren.
• nutzen Differentialgleichungen und ihre Lösungen zur Beschreibung von Ein‑ und Ausschaltvorgängen bei einer Reihenschaltung aus Spule und Ohm'schem Widerstand sowie zur Untersuchung des Einflusses der relevanten Größen. Dabei reflektieren sie die Bedeutung von Differentialgleichungen für die Modellierung physikalischer Systeme und die Vorhersage ihres Verhaltens.
• erklären die auf Induktion beruhenden Funktionsprinzipien technischer Anwendungen unter Beachtung kausal korrekter Beschreibungen. Dazu nutzen sie digitale Lernumgebungen und selbst recherchierte Quellen, einschließlich komplexerer Fachtexte, die sie anhand von Suchstrategien begründet auswählen. Sie prüfen Quellen hinsichtlich ihrer Relevanz für die untersuchten Fragestellungen. Sie veranschaulichen ihre Arbeitsergebnisse unter Verwendung von sach‑, ziel‑ und adressatengerechten Darstellungsformen. Sie reflektieren bei ihren Erklärungen auch die große Bedeutung physikalischer Erkenntnisse für den durch Technik geprägten Alltag.
• erklären für den Idealfall der freien ungedämpften elektromagnetischen Schwingung das Zusammenwirken von Kondensator und Spule im Schwingkreis in Analogie zum Federpendel und beschreiben Schwingungsvorgänge mithilfe von Diagrammen. Diese Analogiebetrachtungen setzen sie bei quantitativen Untersuchungen, unter anderem durch Energiebetrachtungen und die Beschreibung mithilfe von Differentialgleichungen, fort und reflektieren die Generalisierbarkeit dieser Modellierungen. Sie erkennen das lineare Kraftgesetz als Bedingung für die Entstehung einer mechanischen harmonischen Schwingung.
• erschließen sich aus Fachtexten die Lösung der Differentialgleichung einer gedämpften Schwingung für den Fall einer geschwindigkeitsproportionalen Dämpfung. Sie erläutern Analogien zwischen mechanischen und elektromagnetischen gedämpften schwingungsfähigen Systemen und den Einfluss der Parameter dieser Systeme auf ihr Verhalten. Sie entnehmen selbst recherchierten Quellen Informationen über eine technische Anwendung der Dämpfung von Schwingungen und erstellen unter Verwendung angemessener Darstellungsformen Informationsmaterial für einen Adressatenkreis mit nicht vertieften physikalischen Kenntnissen.
• erschließen sich aus Beobachtungen bei einem Experiment zu einer erzwungenen mechanischen Schwingung grundlegende Abhängigkeiten der resultierenden Amplitude sowie der Phasenverschiebung zwischen Anregung und Schwingung von der Anregungsfrequenz und weiteren Parametern. Diese geben sie in passender Struktur und angemessener Fachsprache wieder. Sie erklären durch Analogiebetrachtungen Strukturen in experimentellen Daten zu einer erzwungenen Schwingung in einem elektromagnetischen Schwingkreis.
• nutzen Zeigerdiagramme als fachtypische Darstellungsform zur Beschreibung des sinusförmigen zeitlichen Verlaufs von Spannung und Stromstärke in einem Wechselstromkreis mit einem Ohm'schen Widerstand.
• erschließen sich aus differentiellen Zusammenhängen die Amplitudenverhältnisse und Phasenbeziehungen zwischen Spannung und Stromstärke für einen Kondensator und eine Spule im Wechselstromkreis. Sie beschreiben das Verhalten von RL‑ und RC‑Gliedern durch Zeigerdiagramme und erläutern anhand dieser Diagramme technische Anwendungen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Induktion: magnetischer Fluss und Induktionsgesetz, Erzeugung sinusförmiger Wechselspannung
• EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: Selbstinduktion: Ein‑ und Ausschaltvorgang bei der Spule, Induktivität, Energieinhalt des magnetischen Feldes einer Spule, Experimentelles Arbeiten: Induktion und Selbstinduktion
• Schaltvorgänge in einem RL‑Glied, Zeitkonstante
• EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: Beispiele technischer Anwendungen der Induktion
• Differentialgleichung der elektromagnetischen Schwingung in einem LC‑Kreis, Thomson‑Gleichung, periodischer Energieaustausch zwischen Spule und Kondensator, Analogie zwischen mechanischer und elektromagnetischer Schwingung, Zusammenhang von linearem Kraftgesetz und harmonischer Schwingung, Experimentelles Arbeiten: Elektromagnetische Schwingung
• EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: gedämpfte mechanische und elektromagnetische Schwingungen, Schwingungsdauer und Abklingverhalten, technische Anwendung der Dämpfung von Schwingungen
• Resonanzphänomene bei mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen, Experimentelles Arbeiten: mechanische Schwingung, elektromagnetische Schwingung
• Zeigerdiagramme
• Spule und Kondensator in Wechselstromkreisen, Wechselstromwiderstand, Frequenzfilter, Experimentelles Arbeiten: Wechselstromkreise

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• beschreiben experimentelle Untersuchungen zur Struktur des elektromagnetischen Feldes im Nahbereich eines Dipols. Die Ergebnisse stellen sie, unterstützt durch Beobachtungen aus Simulationen, in ziel‑ und sachgerechten Darstellungsformen graphisch dar.
• erklären auf der Grundlage einer graphischen Darstellung der Maxwellgleichungen in kausal korrekter Struktur das Zustandekommen der elektromagnetischen Schwingung in einem Dipol und die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle in seinem Fernbereich. Sie reflektieren die Bedeutung von grundlegenden Naturgesetzen in der Physik.
• beschreiben auf Grundlage von Beobachtungen in Simulationen oder Experimenten die Struktur des elektromagnetischen Feldes im Fernbereich eines Dipols sowie Phänomene bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Sie erkennen die Polarisierbarkeit als Merkmal transversaler Wellen.
• beschreiben die zeitliche und räumliche Entwicklung des elektrischen und des magnetischen Feldes einer ebenen elektromagnetischen Welle mathematisch.
• beziehen bei der Untersuchung der Interferenz von Dipol‑ und Mikrowellenstrahlung sowie der Ausbildung einer stehenden Welle durch Reflexion theoretische Überlegungen und experimentelle Erkenntnisse aufeinander. Die resultierende Amplitude und Intensität an beliebigen Punkten ermitteln sie durch die Addition von Zeigern.
• Bei der Betrachtung der Interferenz von Licht am Doppelspalt reflektieren sie verwendete Annahmen und Näherungen und erläutern Abweichungen der experimentellen Beobachtungen von der mathematischen Modellierung. Sie identifizieren Licht als sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums und reflektieren die Generalisierbarkeit theoretischer Überlegungen.
• erklären die Kohärenzbedingungen zur Beobachtung von Interferenzeffekten und erläutern die Bedeutung von Interferenzexperimenten zum Nachweis der Welleneigenschaft und zur Bestimmung von Wellenlängen.
• erklären anhand von Zeigerdarstellungen grundlegende Phänomene bei der Interferenz am Mehrfachspalt. Sie erweitern diese Betrachtungen hin zu einem grundlegenden Verständnis der Intensitätsverteilung bei der Interferenz am optischen Gitter.
• erläutern die Wellenlängenbestimmung mithilfe eines optischen Gitters sowie die Bedeutung einzelner Komponenten des Versuchsaufbaus und untersuchen die Spektren alltagsrelevanter Lichtquellen. Sie ziehen in Alltagskontexten Rückschlüsse von beobachteten Spektren auf Eigenschaften der Lichtquelle.
• erklären die im Experiment beobachtete Intensitätsverteilung bei der Beugung am Einfachspalt mithilfe des Zeigerformalismus. Sie erläutern die Einflüsse der Beugung am Einfachspalt auf die beobachtete Intensitätsverteilung bei der Interferenz von Licht an Doppelspalt und Gitter.
• erklären Beobachtungen zur Bragg-Reflexion in einem Modellversuch mit Mikrowellen oder Ultraschall.
• erklären die Entstehung von Röntgenbremsstrahlung durch die Beschleunigung von Elektronen sowie das Bremsspektrum durch Rückgriff auf das Photonenmodell. Sie reflektieren die Folgen einer Entscheidung für den Einsatz von Röntgenstrahlung in der Medizin unter Berücksichtigung des Spektralbereichs von Röntgenstrahlung.
• reflektieren die Universalität des Konzepts der elektromagnetischen Wellen zur Deutung von Phänomenen im gesamten elektromagnetischen Spektrum und beurteilen vergleichend die Eignung unterschiedlicher Verfahren zur Wellenlängenbestimmung.
• beurteilen am Beispiel elektromagnetischer Wellen im Alltag vorgegebene Argumentationen, z. B. zum Umgang mit Mobiltelefonen, hinsichtlich ihrer Vertrauenswürdigkeit und Relevanz, wobei sie auch die interessengeleitete Setzung und Verbreitung medialer Inhalte erkennen und den Einfluss der Medien auf gesellschaftliche Diskurse zu technischen Anwendungen hinterfragen. Sie reflektieren auf der Grundlage fachlicher Kriterien sowie ihrer Kenntnisse über schlüssige und überzeugende Argumentationen vorgegebene Risikoeinschätzungen hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses und entwickeln daraus Handlungsoptionen für den Umgang mit den betrachteten Technologien, die sie durch eine Nutzwertanalyse vergleichen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Ladung und Stromstärke bei der Grundschwingung eines elektromagnetischen Dipols, elektrisches und magnetisches Feld im Nahbereich
• Maxwellgleichungen, Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, Hinweis auf Abstrahlung elektromagnetischer Wellen durch beschleunigte Ladungen
• Struktur des elektromagnetischen Wechselfeldes im Fernbereich eines Dipols; Eigenschaften der Dipol‑ oder Mikrowellenstrahlung: Ausbreitungsgeschwindigkeit, Polarisation, Schwingungsebene, Brechung, Beugung, Reflexion, Phasenbeziehungen bei der Reflexion
• mathematische Beschreibung einer eindimensionalen Welle, Hinweis auf die Differentialgleichung für die Wellenausbreitung
• Superposition von Wellen, Interferenz am Doppelspalt, Intensität einer elektromagnetischen Welle, Bedingungen für konstruktive und destruktive Interferenz, Kohärenz, stehende Welle
• Mehrfachspalt und optisches Gitter
• Wellenlängenbestimmung bei monochromatischem und polychromatischem Licht, Experimentelles Arbeiten: Interferenzversuche mit Licht
• Einfachspalt
• Interferenz an räumlichen Anordnungen, Bragg‑Bedingung
• Aufbau der Röntgenröhre, Röntgenbremsspektrum
• elektromagnetisches Spektrum

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• planen ein Experiment zur Überprüfung der mathematischen Modellierung des Auf‑ oder Entladevorgangs eines Kondensators. Sie untersuchen den Einfluss des Ohm‘schen Widerstands und der Kapazität auf die Zeitkonstante sowie auf die im Kondensator gespeicherte Ladung. Zum Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit dem Modell nutzen sie digitale Werkzeuge zur Regression und zur graphischen Integration.
• nehmen selbständig verschiedene Potentialverläufe auf, insbesondere für das homogene und radialsymmetrische Feld sowie für das Dipolfeld. Sie vergleichen diese mit den durch Simulation berechneten Verläufen der Äquipotentiallinien. Zur Auswertung der experimentell ermittelten Potentialverläufe entlang geeigneter Linien nutzen sie Regressionsverfahren mithilfe digitaler Werkzeuge.
• verifizieren die theoretisch hergeleitete Bahnkurve der Elektronen im elektrischen Querfeld durch Messungen an der Elektronenablenkröhre. Zur Auswertung mittels Regression nutzen sie digitale Werkzeuge. Sie bestimmen die Masse des Elektrons mit dem Fadenstrahlrohr. Dazu identifizieren sie zu messende Eingangsgrößen, schätzen deren Messunsicherheiten ab und ermitteln die Messgröße mit ihrer Messunsicherheit. Sie beurteilen die Güte ihrer Messung anhand der Messabweichung vom Tabellenwert.
• bestimmen experimentell am Plattenkondensator die relative Permittivität eines vorgegebenen Materials. In einem selbst geplanten Experiment bestimmen sie die Kapazität eines Kondensators anderer Geometrie und vergleichen sie mit einem recherchierten Wert.
• untersuchen die Struktur des Magnetfeldes im Innenraum einer langgestreckten Spule oder eines Helmholtz‑Spulenpaars, identifizieren Homogenitätsbereiche und visualisieren ihre Ergebnisse in passenden Darstellungsformen. Sie untersuchen die Überlagerung der Magnetfelder von hintereinandergeschalteten kurzen Spulen entlang der Spulenachse und ermitteln die radiale Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte bei einem stromdurchflossenen geraden Draht.
• planen Experimente zum Ein‑ und Ausschaltvorgang von Spulen, in denen sie unter sach‑ und zielgerichteter Handhabung digitaler Werkzeuge den Einfluss des Ohm’schen Widerstands und der Induktivität auf die induzierte Spannung untersuchen. Im Rahmen der Auswertung analysieren sie die Maximalwerte der Induktionsspannung und stellen einen Bezug zur Änderung des magnetischen Flusses her.
• bestimmen hypothesengeleitet die Abhängigkeit der Eigenfrequenz eines schwingungsfähigen mechanischen Systems von Systemparametern und vergleichen sie mit der theoretischen Vorhersage. Bei einer erzwungenen Schwingung ermitteln sie die Amplitude in Abhängigkeit von der Erregerfrequenz und stellen qualitative Beobachtungen zur Phasenverschiebung zwischen Erreger und Oszillator an.
• bestimmen hypothesengeleitet die Abhängigkeit der Eigenfrequenz eines elektromagnetischen Schwingkreises von Systemparametern mithilfe einer computergestützten Messwerterfassung und bestätigen die Thomson‑Gleichung. Sie untersuchen die Dämpfung der Schwingung in Abhängigkeit vom Ohm’schen Widerstand. Für die erzwungene Schwingung ermitteln sie experimentell die Resonanzkurve und die Phasenbeziehung zwischen Erreger und Oszillator für zwei unterschiedlich starke Dämpfungen. Sie beschreiben die prinzipielle Funktionsweise eines digitalen Messwerterfassungssystems.
• ermitteln für sinusförmige Wechselspannung bei einem Ohm’schen, einem kapazitiven und einem induktiven Widerstand die Phasenbeziehung zwischen Spannung und Stromstärke und stellen die Frequenzabhängigkeiten graphisch dar. Sie untersuchen das frequenzabhängige Verhalten einer Schaltung von Bauteilen mit mindestens einem frequenzabhängigen Widerstand (z. B. Hochpass, Tiefpass, Bandpass, Bandfilter).
• bestimmen die Wellenlängen verschiedenfarbigen, von Leuchtdioden emittierten Lichts mithilfe eines Gitters. Sie minimieren die Auswirkungen der Messunsicherheiten, indem sie den quantitativen Einfluss der Unsicherheiten der Eingangsgrößen auf das Ergebnis ermitteln. Sie erläutern die Funktion der einzelnen Komponenten des Aufbaus und kombinieren Größengleichungen zur Auswertung des Experiments. Zur Bestimmung von Strukturgrößen mittels Interferenz planen sie ein Experiment und vergleichen die ermittelten Abmessungen mit den bekannten Strukturgrößen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Auf‑ und Endladevorgang beim Kondensator
• Potentialmessungen
• Bahnen geladener Teilchen im elektrischen und magnetischen Feld
• Kapazitätsmessungen
• Messungen mit der Hall‑Sonde
• Induktion und Selbstinduktion
• mechanische Schwingung
• elektromagnetische Schwingung
• Wechselstromkreise
• Interferenzversuche mit Licht