Fachlehrplan Physik 13 (erhöhtes Anforderungsniveau) Gymnasium, Physik, Jahrgangsstufe 13

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Ph13Bildungsstandards, Lehrplanalternativen und Anforderungsniveaus

Bildungsstandards

Die Inhalte und Kompetenzerwartungen der Jahrgangsstufen 12 und 13 basieren auf den Bildungsstandards für die Allgemeine Hochschulreife (i. d. F. vom 18.06.2020). Die Kompetenzerwartungen verknüpfen die nach den Bildungsstandards am Ende der Qualifikationsphase von den Schülerinnen und Schülern erwarteten allgemeinen Kompetenzen mit Inhalten, die besonders gut zu deren Entwicklung geeignet sind. Für eine fundierte Ausprägung der Kompetenzen nutzen die Schülerinnen und Schüler sie aber auch anhand anderer Inhalte regelmäßig. Einige der in den Bildungsstandards genannten Inhalte wurden bereits in vorhergehenden Jahrgangsstufen, insbesondere in der Jahrgangsstufe 11, behandelt. Auch sie sind für die Abiturprüfung relevant.

Während die Schülerinnen und Schüler im Unterricht der Jahrgangsstufen 7 bis 11 einen Überblick über wichtige Teilgebiete und Konzepte der Physik erworben haben, vertiefen und erweitern sie in der Qualifikationsphase ihre Kompetenzen. Sie beschreiben naturwissenschaftliche Konzepte, Theorien und Verfahren und wählen diese zur Bearbeitung von innerfachlichen und anwendungsbezogenen Fragestellungen gezielt aus. Experimente, Theorien und Modellvorstellungen verknüpfen sie zur Bearbeitung von zunehmend komplexer werdenden, in reale Kontexte eingebetteten Fragestellungen. Anknüpfungspunkte zu Alltagsanwendungen, insbesondere in der Technik, durchziehen den gesamten Unterricht der Qualifikationsphase. Sie werden regelmäßig aufgegriffen, um die Bedeutung der Physik für den Alltag der Schülerinnen und Schüler sowie ihren Beitrag zu den übergreifenden Bildungs- und Erziehungszielen deutlich werden zu lassen.

Zur Gewinnung physikalischer Erkenntnisse arbeiten die Schülerinnen und Schüler auch mit abstrakteren Modellen und beschreiben Vorgänge und Zusammenhänge mathematisch. Sie durchlaufen den Zyklus der Erkenntnisgewinnung von der Bildung von Hypothesen über die Charakterisierung und zielgerichtete Auswahl von Modellen und Verfahren sowie die Planung von Experimenten bis hin zur Interpretation und Reflexion der Ergebnisse und der Prozesse, durch die sie gewonnen wurden. Bei der Auswertung experimenteller Daten unterscheiden sie zwischen Messunsicherheiten und Messabweichungen und schätzen Unsicherheiten sowie die daraus resultierenden Einflüsse auf ihre Ergebnisse geeignet ab. So werden ihnen zentrale Wesenszüge sowie Möglichkeiten und Grenzen der physikalischen Vorgehensweise und die Bedeutung der Physik für das Verständnis vieler Alltagsphänomene und technischer Anwendungen deutlich.

Die Schülerinnen und Schüler entwickeln so eine breite naturwissenschaftliche Allgemeinbildung, die vor allem auf der zielgerichteten Verwendung fundamentaler Prinzipien, mathematischer Modellierungen und zeitgemäßer physikalischer Modelle beruht. Sie erwerben ein modernes Weltbild, in das diese Prinzipien und Modelle sinnvoll eingebettet sind und mithilfe dessen sie sich argumentativ an Diskussionen und Entscheidungsfindungsprozessen in gesellschaftlich relevanten Kontexten beteiligen. Dabei nutzen sie strukturierte Bewertungsverfahren und beziehen auch außerfachliche Aspekte mit ein. Sie reflektieren Entscheidungsprozesse sowie ihre Folgen.

Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich selbständig Erkenntnisse auch zu komplexeren physikalischen Inhalten. Sie bereiten Ergebnisse adressatengerecht auf, präsentieren und diskutieren sie. Dabei gehen sie sicher mit der Fachsprache sowie fachtypischen Darstellungen und Argumentationsstrukturen um.

In Vorbereitung auf ein lebenslanges Lernen zählen die digitale Bildung und das eigenverantwortliche Arbeiten zu den Grundpfeilern des Unterrichts in den Jahrgangsstufen 12 und 13. Die reflektierte Nutzung digitaler Werkzeuge, unter anderem von Messwerterfassungssystemen, Simulationen und Anwendungen zur Darstellung und Auswertung von Daten, zur Kooperation und Präsentation, ist ein Ziel des Unterrichts. In Fortführung des Lernbereichs Eigenverantwortliches Arbeiten in Jahrgangsstufe 11 erarbeiten sich die Schülerinnen und Schüler auch in den Jahrgangsstufen 12 und 13 ausgewählte Themen selbständig und präsentieren ihre Erkenntnisse. Diese Themen sind in den Inhaltslisten explizit ausgewiesen. In vielen Fällen bietet sich ein arbeitsteiliges Vorgehen an. Dabei stellen die Präsentationen sicher, dass die Inhalte von allen Schülerinnen und Schülern in gleicher Weise aufgenommen werden.

Lehrplanalternative Biophysik

In der Lehrplanalternative Biophysik der Jahrgangsstufe 12 lernen die Schülerinnen und Schüler die Grundlagen eines aktuellen Zweigs der Physik kennen, in dem tiefere Erkenntnisse über die Natur in der Regel nur durch Zusammenarbeit unterschiedlicher Disziplinen zu erreichen sind. Sie erfahren, dass mithilfe physikalischer Modelle und Arbeitsmethoden weitreichende Aussagen über die Funktionsweise biologischer Systeme getroffen werden können. Hierbei steht die Modellbildung im Spannungsfeld zwischen notwendiger Komplexität und ihrer, auch mathematischen, Beherrschbarkeit. Die Kompetenzerwartungen und Inhalte dieser Lehrplanalternative sind so ausgewählt, dass alle notwendigen Voraussetzungen zur Fortsetzung des Physikkurses in der Jahrgangsstufe 13, auch im Rahmen der Lehrplanalternative Astrophysik, geschaffen werden.

Lehrplanalternative Astrophysik

Mit der Lehrplanalternative Astrophysik in der Jahrgangsstufe 13 erwerben die Schülerinnen und Schüler Kompetenzen in einem Themengebiet, welches durch das Zusammenwirken verschiedener Teilbereiche der Physik charakterisiert ist. Angesichts der anders gelagerten Rolle von Experimenten in der Astrophysik bilden Modelle und Theorien die wesentliche Grundlage für den Kompetenzerwerb, ergänzt durch Modellexperimente sowie die direkte Beobachtung von Objekten am Himmel. Um die Anschaulichkeit, die Lebendigkeit und die Aktualität der Astrophysik zu unterstreichen, sollen Beobachtungen, der Besuch einer Sternwarte oder eines Planetariums und wann immer möglich der Bezug auf aktuelle Ereignisse und Forschungsergebnisse in den Unterricht eingebunden werden. Eine charakteristische Methode im Umgang mit Beobachtungsdaten, die mit großen Messunsicherheiten und Streuungen behaftet sind, besteht im Arbeiten mit Abschätzungen und näherungsweisen Zusammenhängen unter der Setzung vereinfachender Annahmen.

Erhöhtes Anforderungsniveau

Im erhöhten Anforderungsniveau sind in der Jahrgangsstufe 12 vier Unterrichtsstunden dafür vorgesehen, in einem geeigneten Themenbereich einen alltagsrelevanten Anwendungsbezug vertieft zu behandeln.

Das erhöhte Anforderungsniveau äußert sich im Bereich der Sachkompetenz darin, dass zu bestimmten Themen mehr Sachverhalte eventuell in höherer Komplexität der verwendeten Modelle detaillierter betrachtet werden. Darüber hinaus nutzen die Schülerinnen und Schüler des erhöhten Anforderungsniveaus auch eine deutlich umfangreichere und tiefere Mathematisierung. Im Bereich der Erkenntnisgewinnungskompetenz wird vermehrt auf einen formalen Umgang mit Messunsicherheiten sowie Messabweichungen und auf die Reflexion über Vor- und Nachteile oder die Aussagekraft verschiedener Mess- und Auswertungsverfahren Wert gelegt. Die Schülerinnen und Schüler besitzen im Bereich der Kommunikationskompetenz ein umfangreicheres Fachvokabular und drücken sich fachlich präziser aus. Sie sind in der Lage, sprachlich und inhaltlich komplexere Fachtexte zu verstehen. Im Bereich der Bewertungskompetenz können sie mehr und komplexere Argumente mit Belegen heranziehen. Auch gelingt es ihnen, eigene Standpunkte differenzierter zu begründen und so besser gegen sachliche Kritik zu verteidigen.

Eine wesentliche Form der Vertiefung im erhöhten Anforderungsniveau stellen zusätzliche Inhalte dar. Die Schülerinnen und Schüler nutzen außerdem vermehrt Analogien sowie fortgeschrittenere Mathematisierungen, unter anderem Differentialgleichungen und Zeigerdarstellungen, zur Beschreibung von Vorgängen und Zusammenhängen und erschließen sich dabei die Mächtigkeit mathematischer Methoden als Mittel der physikalischen Weltbeschreibung.

Der Lernbereich Experimentelles Arbeiten stellt eine besondere inhaltliche Vertiefung dar. Seine Inhalte sind bereits in die Lernbereiche 12.1 bis 12.3 sowie 13.1 bis 13.4 des erhöhten Anforderungsniveaus integriert, die zugehörigen Kompetenzerwartungen sind in den Lernbereichen 12.4 und 13.5 zusammengefasst.

Ph13 Lernbereich 1: Grundideen der Quantenphysik

ca. 27 Std.

Ph13 1.1 Eigenschaften von Quantenobjekten

ca. 14 Std.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erklären den Aufbau sowie die Funktion einzelner Komponenten der Elektronenbeugungsröhre und formulieren basierend auf quantitativen Untersuchungen Hypothesen zur Interpretation des Schirmbilds. Zur Überprüfung der Hypothese, dass Elektronen Welleneigenschaften besitzen, planen sie ein weiteres Experiment.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen | Erkenntnisse gewinnen
  • schließen anhand experimenteller Daten auf den quantitativen Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge des Quantenobjekts Elektron.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • erschließen sich mithilfe einer digitalen Simulation Aussagen zu Eigenschaften von Elektronen. Die Entstehung des Interferenzbilds erläutern sie dabei mithilfe von Zeigerdiagrammen. Sie folgern die Unzulänglichkeit der klassischen Beschreibung des Elektrons sowie die Notwendigkeit der Einführung des Begriffs Quantenobjekt.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Erkenntnisse gewinnen
    Übergreifende Ziele: Medienbildung
  • identifizieren im simulierten Experiment mit einzelnen Photonen im Mach‑Zehnder-Interferometer das Photon als Quantenobjekt. Sie beschreiben unter Verwendung der Fachsprache Aufbau und Durchführung dieses Interferenzexperiments und erläutern kausal korrekt strukturiert die Koinzidenzmethode zur Präparation einzelner Photonen. Sie erklären die Entstehung von Interferenzen durch Analyse der Phasenbeziehungen mit Zeigerdiagrammen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • entnehmen einem vorgegebenen Text zum lichtelektrischen Effekt die Interpretation experimenteller Beobachtungen auf Basis der Lichtquantenhypothese nach Einstein und analysieren die Argumentationsstruktur der Quelle. Sie diskutieren die Bedeutung des Planck’schen Wirkungsquantums als universelle Naturkonstante. Den Impuls des Photons leiten sie aus einer relativistischen Betrachtung ab.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Quantitative Experimente mit der Elektronenbeugungsröhre, Bragg‑Reflexion, Experimentelles Arbeiten: Elektronenbeugung
    Gegenstandsbereiche: Superposition und Komponenten | Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • de Broglie‑Beziehung für das Elektron
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Simulation des Doppelspaltexperiments: wellenartiges, teilchenartiges und stochastisches Verhalten des Quantenobjekts Elektron, Interpretation mithilfe einer Wellenfunktion
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Superposition und Komponenten | Mathematisieren und Vorhersagen
  • Präparation einzelner Photonen, Mach‑Zehnder-Interferometer; wellenartiges, teilchenartiges und stochastisches Verhalten des Quantenobjekts Photon
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten
  • Hallwachs‑Experiment, Lichtquantenhypothese, Einstein‑Gleichung zur Deutung des Photoeffekts; Energie und Impuls des Photons; Experimentelles Arbeiten: Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquantums mit der Gegenfeldmethode
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Mathematisieren und Vorhersagen | Erhaltung und Gleichgewicht

Ph13 1.2 Einblick in das Weltbild der Quantenphysik

ca. 13 Std.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • interpretieren das Betragsquadrat der Wellenfunktion als Nachweiswahrscheinlichkeit. Sie erläutern das Prinzip der Superposition quantenphysikalischer Zustände und die Determiniertheit der zeitlichen Entwicklung der Wellenfunktion.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen
  • erläutern das grundlegende Prinzip der Komplementarität am Beispiel der Beschreibung eines Quantenobjekts als Welle und Teilchen. Anhand einer Betrachtung von Wellenpaketen machen sie die Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation plausibel und identifizieren Ort und Impuls als komplementäre Größen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen
  • beschreiben den quantenphysikalischen Messprozess als zufällige Auswahl eines Realität werdenden Zustands. Sie vergleichen den quantenphysikalischen mit dem klassischen Messprozess und reflektieren die Problematik der Übertragung von Begriffen aus der Anschauungswelt in die Quantenphysik.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • erläutern unter Verwendung von Zeigerdiagrammen die Änderung der Ergebnisse von Interferenzexperimenten durch Löschen einer bereits vorhandenen Weginformation am Beispiel Quantenradierer.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen
  • beschreiben die Auswirkungen einer Änderung des Aufbaus eines Experiments während dessen Durchführung auf die Messung. Dabei stellen sie die unterschiedlichen Erwartungen aus klassischer und quantenphysikalischer Sicht gegenüber.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen
  • erläutern an ausgewählten Beispielen den Übergang von der quantenphysikalischen zur klassischen Beschreibung von makroskopischen Objekten und bewerten die Übertragbarkeit quantenphysikalischer Betrachtungen auf Alltagssituationen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen
  • prüfen fachliche und außerfachliche Texte mit quantenphysikalischen Bezügen hinsichtlich Fachsprache und Korrektheit und bewerten sie bezüglich ihrer Vertrauenswürdigkeit und der Intention des Autors.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | bewerten
    Übergreifende Ziele: Medienbildung

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Wellenfunktion: Zusammenhang von Wellenfunktion und Nachweiswahrscheinlichkeit, Superposition, Determiniertheit
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Superposition und Komponenten | Mathematisieren und Vorhersagen
  • Komplementarität, Wellenpaket, Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Superposition und Komponenten | Mathematisieren und Vorhersagen
  • quantenphysikalischer Messprozess, Kausalität, Realität, Komplementarität von Weginformation und Interferenzfähigkeit
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Superposition und Komponenten
  • Quantenradierer
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten
  • Nicht-Lokalität, Delayed‑Choice-Experiment
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit
  • Dekohärenz quantenphysikalischer Zustände
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit
  • Quantenphysik in Technik und Gesellschaft, z. B. Quantencomputer, Quantenkryptographie, Beispiele für missbräuchliche Argumentation mit der Quantenphysik: Scharlatanerie
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit

Ph13 Lernbereich 2: Ein Atommodell der Quantenphysik

ca. 22 Std.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • verwenden das Modell des eindimensionalen Potentialtopfs mit unendlich hohen Wänden, um grundlegende Eigenschaften eines Systems mit räumlich eingeschränkten Elektronen zu beschreiben. Auf der Grundlage der Lösungen der stationären Schrödinger-Gleichung skizzieren sie die Wellenfunktionen sowie die zugehörigen Dichten der Aufenthaltswahrscheinlichkeit und schließen auf diskrete Energieniveaus. Zur Lage dieser Energieniveaus stellen sie quantitative Betrachtungen an.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • erkunden mithilfe digitaler Simulationen für weitere einfache Potentialverläufe die Form der Wellenfunktionen sowie die Lage der Energieniveaus. Hierbei machen sie auch das Zustandekommen der Atombindung plausibel.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
    Übergreifende Ziele: Medienbildung
  • erweitern die Betrachtungen von eindimensionalen Orbitalen auf drei Dimensionen, auch mithilfe von mechanischen Analogien und digitalen Simulationen. Sie beschreiben den Zusammenhang zwischen Quantenzahlen und Struktur der Orbitale am Beispiel des Wasserstoffatoms und entnehmen der Simulation die Energiewerte des Wasserstoffatoms.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen | kommunizieren
    Übergreifende Ziele: Medienbildung
  • verifizieren anhand des Wasserstoffspektrums das dem Modell entnommene Energieniveauschema. Sie übertragen ihre Betrachtungen auf wasserstoffähnliche Systeme und untersuchen dabei die Grenzen der verwendeten Modellierung.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • beschreiben Systeme mit mehreren Elektronen durch das Besetzen der Energieniveaus eines einzelnen Elektrons nach dem Pauli-Prinzip und durch das Energieniveauschema der Atomhülle als Ganzes. Sie vergleichen die Aussagen der beiden Darstellungen und erläutern für Atome und weitere quantenphysikalischen Strukturen Beobachtungen zur Emission und Absorption von Strahlung.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • erläutern die Funktion der Komponenten des Aufbaus sowie die Durchführung und die Auswertung des Franck‑Hertz-Versuchs. Dabei formulieren sie unter Verwendung der Fachsprache kausal und chronologisch korrekt strukturiert. Sie erläutern die grundlegenden Unterschiede zwischen einer Anregung durch Photonenabsorption und durch Elektronenstöße.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Modelle und Experimente nutzen

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Eindimensionaler Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden: stationäre Schrödinger-Gleichung, eindimensionale stehende Wellen, diskrete Energiewerte, Wellenfunktionen und Nachweiswahrscheinlichkeiten für das Elektron
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten | Zufall und Determiniertheit | Erhaltung und Gleichgewicht
  • Wellenfunktionen für weitere eindimensionale Potentiale, u. a. Potentialtopf mit endlich hohen Wänden, Coulomb‑Potential, Hinweis auf den Tunneleffekt
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten | Zufall und Determiniertheit | Erhaltung und Gleichgewicht
  • Darstellung von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten durch Orbitale, Struktur der Orbitale des Wasserstoffatoms, Quantenzahlen
    Gegenstandsbereiche: Zufall und Determiniertheit | Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten
  • Energiewerte für Wasserstoff und wasserstoffähnliche Systeme
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Erhaltung und Gleichgewicht
  • Experimentelles Arbeiten: Aufbau eines Spektrometers
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten | Zufall und Determiniertheit
  • Pauli‑Prinzip, Energieniveauschema der Atomhülle; Emission und Absorption von Licht atomarer Gase; charakteristisches Röntgenspektrum, Moseley‑Gesetz
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Erhaltung und Gleichgewicht | Superposition und Komponenten | Zufall und Determiniertheit
  • Energieübertrag durch Stoßanregung, Franck‑Hertz-Versuch
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Zufall und Determiniertheit

Ph13 Lernbereich 3: Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie

ca. 9 Std.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern Methoden der Strukturuntersuchung zum Aufbau der Materie und Grundaussagen des Standardmodells. Sie recherchieren selbständig in verschiedenen, auch digitalen Quellen unterschiedlicher Niveaus und wählen für ihre Zwecke passende Quellen aus. Dabei analysieren sie die Darstellungen der Quellen hinsichtlich Argumentationsstruktur, Fachsprache und Relevanz. Sie ordnen die gewonnenen Ergebnisse und bereiten sie unter Verwendung geeigneter digitaler Werkzeuge zu einer Präsentation auf, für die sie geeignete Schwerpunkte setzen und aussagekräftige schematische Darstellungen entwerfen. Dabei belegen sie verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Modelle und Experimente nutzen
    Übergreifende Ziele: Medienbildung
  • präsentieren Möglichkeiten zur Strukturuntersuchung mit Röntgenstrahlung und verwenden dabei geeignete Darstellungsformen. Sie formulieren die an die Röntgenquelle zu stellenden Anforderungen und erläutern mit Informationen aus einem vorgegebenen Text, dass diese mit Synchrotronstrahlung erfüllt werden.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Modelle und Experimente nutzen
  • diskutieren am Beispiel der Teilchenphysik den Wert physikalischer Grundlagenforschung für die Gesellschaft und beziehen begründet einen Standpunkt zur Sinnhaftigkeit von Großforschungseinrichtungen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: bewerten

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: Überblick über Methoden zur Strukturuntersuchung: Interferenz, Aufnahme und Abgabe von Energie, Streuexperimente, Kollisionsexperimente
    Gegenstandsbereiche: Superposition und Komponenten | Erhaltung und Gleichgewicht | Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: Grundaussagen des Standardmodells: Zusammensetzung der Hadronen aus Quarks, Teilchenfamilien, fundamentale Wechselwirkungen und ihre Austauschteilchen, Erhaltung der Leptonen- und Baryonenzahl
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten
  • Strukturuntersuchung mit Röntgenstrahlung: Interferenz, Fluoreszenz, Röntgenspektralanalyse; Synchrotronstrahlung
    Gegenstandsbereiche: Superposition und Komponenten | Erhaltung und Gleichgewicht | Zufall und Determiniertheit | Mathematisieren und Vorhersagen

Ph13 Lernbereich 4: Kernphysik

ca. 33 Std.

Ph13 4.1 Ein einfaches Kernmodell

ca. 19 Std.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • führen quantitative Betrachtungen zur mittleren Bindungsenergie pro Nukleon sowie zu Energie‑ und Impulsbilanzen bei Zerfällen und ausgewählten Beispielen von Kernreaktionen durch. Für die inelastische Streuung von Protonen oder Neutronen am Kern berechnen sie Anregungsenergien und vertiefen so ihr Verständnis des eingeführten Kernmodells.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen | Erkenntnisse gewinnen
  • beurteilen die Eignung des Modells des eindimensionalen unendlich hohen Potentialtopfs zur Beschreibung des Atomkerns. Sie erweitern das Modell unter Berücksichtigung der Eigenschaften der starken bzw. der elektromagnetischen Wechselwirkung und übertragen Aussagen zu Systemen mit mehreren Elektronen auf Kerne mit mehreren Nukleonen. Sie reflektieren Möglichkeiten und Grenzen des Erkenntnisgewinnungsprozesses aus Analogieüberlegungen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen
  • nutzen das eingeführte Kernmodell zur Erklärung der Entstehung von α‑, β‑ und γ‑Strahlung. Im Rahmen der Interpretation vorgegebener Energiespektren dieser Strahlungsarten erläutern sie auch die Bedeutung dieser Spektren für die experimentelle Bestätigung des eingeführten Kernmodells.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen | Erkenntnisse gewinnen
  • entnehmen digitalen Nuklidkarten Eigenschaften von Nukliden und Zerfallsreihen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren
  • reflektieren die Relevanz von Erhaltungssätzen und des Standardmodells für die Erkenntnisgewinnung in der Kern‑ und Elementarteilchenphysik.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Massendefekt und mittlere Bindungsenergie je Nukleon in Abhängigkeit von der Nukleonenzahl
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Mathematisieren und Vorhersagen
  • Potentialtopfmodell des Kerns
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit | Erhaltung und Gleichgewicht
  • Entstehung von α‑, β-‑, β+‑ und γ‑Strahlung, Tunneleffekt beim α‑Zerfall, β‑Zerfälle im Standardmodell, Stabilität von Atomkernen
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Energie‑ und Impulsbilanzen bei Zerfällen und Kernreaktionen; Energiespektren der Strahlungsarten; Experimentelles Arbeiten: Absorption und Reichweite von β‑ oder γ‑Strahlung
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Superposition und Komponenten | Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Zerfallsreihe, Nuklidkarte
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Erhaltung und Gleichgewicht
  • Bedeutung von Erhaltungssätzen
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Zufall und Determiniertheit

Ph13 4.2 Radioaktivität und Kernenergietechnik

ca. 14 Std.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern ausgehend von der ionisierenden Wirkung der α‑, β‑ und γ‑Strahlung die grundsätzliche Funktionsweise eines Geiger‑Müller-Zählers.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen
  • leiten aus einer Differentialgleichung das Zerfallsgesetz her. Bei seiner Interpretation unterscheiden sie zwischen der Halbwertszeit und der mittleren Lebensdauer der Kerne. Sie vergleichen die theoretischen Vorhersagen mit vorgegebenen experimentellen Daten und deuten die Streuung der Messwerte als Folge der stochastischen Natur des radioaktiven Zerfalls.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen | Erkenntnisse gewinnen
  • wählen im Rahmen von Anwendungen zum radioaktiven Zerfall problembezogen geeignete Größengleichungen zur quantitativen Beschreibung aus und interpretieren ihre Ergebnisse im jeweiligen Sachkontext.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • reflektieren vorgegebene Regeln zum Strahlenschutz und formulieren, gestützt auf eigene Modellierungen und Berechnungen, Risikoabschätzungen und Bewertungen. Dabei diskutieren sie auch die Generalisierbarkeit der verwendeten theoretischen Überlegungen und Modellierungen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: bewerten | Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • erläutern ausgehend vom prinzipiellen Aufbau eines Kernreaktors seine grundlegende Funktionsweise. Vor dem Hintergrund unterschiedlicher Meinungen in der Gesellschaft über Chancen und Risiken der Kernenergienutzung nehmen sie einen eigenen begründeten Standpunkt zu diesem Thema ein, tauschen sich untereinander konstruktiv über die zugrunde liegenden Sachverhalte aus, vertreten und korrigieren gegebenenfalls den eigenen Standpunkt und entwickeln Handlungsoptionen im Hinblick auf die künftige Energieversorgung Deutschlands. Hierfür entnehmen sie Informationen aus verschiedenen, auch selbständig recherchierten digitalen Quellen und beurteilen die Informationen sowie deren Darstellung hinsichtlich Vertrauenswürdigkeit und Relevanz.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | bewerten | Modelle und Experimente nutzen
    Übergreifende Ziele: Medienbildung

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Ionisierende Wirkung und Nachweis von α‑, β‑ und γ‑Strahlung
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Zufall und Determiniertheit
  • Aktivität, Zerfallsgesetz, Halbwertszeit, mittlere Lebensdauer
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Anwendung des radioaktiven Zerfalls zur Altersbestimmung, unter anderem am Beispiel der C14‑Methode
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Erhaltung und Gleichgewicht | Zufall und Determiniertheit
  • Experimentelles Arbeiten: Radioaktivität im Alltag; Strahlenbelastung des Menschen durch natürliche und künstliche Strahlung, Energiedosis und Äquivalentdosis, Maßnahmen zum Strahlenschutz
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Kernenergietechnik: Kernspaltung, Kettenreaktion und prinzipieller Aufbau eines Kernreaktors, Chancen und Risiken der Kernenergienutzung
    Gegenstandsbereiche: Erhaltung und Gleichgewicht | Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit

Ph13 Lernbereich 5: Experimentelles Arbeiten

ca. 14 Std.

Dieser Lernbereich vertieft die verpflichtenden Schülerexperimente des grundlegenden Anforderungsniveaus. Ein Schwerpunkt liegt auf der systematischen Untersuchung von Größenzusammenhängen und dem Einfluss von Parametern. Dabei spielen die sorgfältige Bedienung der Geräte, die regelmäßige Berücksichtigung von Messunsicherheiten und Messabweichungen sowie deren Bedeutung für das Vertrauen in ein Ergebnis, aber auch die genaue Dokumentation von Durchführung und Beobachtungen sowie die sachlogisch strukturierte Auswertung eine wesentliche Rolle. Bei ausgewählten Experimenten bereiten sich die Schülerinnen und Schüler durch geeignete Fachtexte selbständig auf die Versuche vor. Der Einsatz digitaler Werkzeuge unterstützt alle Schritte des Experimentierens, von der Messwerterfassung über die Auswertung und Visualisierung von Daten bis hin zur Dokumentation der Ergebnisse. Das experimentelle Arbeiten im Team bietet einen natürlichen Anlass, sich konstruktiv über physikalische Sachverhalte auszutauschen und Prozesse der physikalischen Erkenntnisgewinnung zu reflektieren. Fünf der aufgeführten Experimente sind von allen Schülerinnen und Schülern verpflichtend durchzuführen. Die ersatzweise Durchführung der evtl. verbleibenden Experimente als Demonstrationsexperiment ist verpflichtend; auch in diesem Fall sind die relevanten Aspekte der zugehörigen Kompetenzerwartungen zu berücksichtigen.

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • untersuchen die Lichtintensität hinter zwei Linearpolarisationsfiltern in Abhängigkeit vom Winkel zwischen ihren Polarisationsrichtungen und vergleichen sie mit den theoretischen Vorhersagen. Sie untersuchen und erklären an ausgewählten Beispielen Auftreten und Anwendung polarisierten Lichts in Natur und Technik auch unter Zuhilfenahme selbst recherchierter, digitaler Quellen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Modelle und Experimente nutzen
  • bauen einen vorgegebenen Versuch zur Übertragung eines Audiosignals mit Licht auf und erklären die Funktion der einzelnen Komponenten. Sie entwickeln mithilfe einer passgenauen, vorgegebenen Quelle einen Modellversuch zum Multiplexing.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • bestimmen anhand experimentell gewonnener Daten an der Elektronenbeugungsröhre einen Näherungswert für das Planck’sche Wirkungsquantum. Dessen Unsicherheit berechnen sie aus den Unsicherheiten der Eingangsgrößen.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Modelle und Experimente nutzen
  • bestimmen beim lichtelektrischen Effekt mit der Gegenfeldmethode einen Näherungswert für das Planck’sche Wirkungsquantum. Sie minimieren die Auswirkungen der Messunsicherheiten, deren Einflüsse sie auch unter Einsatz digitaler Auswerteroutinen quantitativ analysieren.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • bauen einen Gitterspektralapparat auf, erläutern die Funktion der Komponenten, kalibrieren ihn mithilfe eines bekannten Spektrums und bestimmen mit ihm die Wellenlängen emittierten Lichts weiterer Gase mithilfe digitaler Inter‑ und Extrapolation des Kalibrierspektrums. Dabei setzen sie sich kritisch mit Fragen der Kalibrierung auseinander.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • planen Experimente zur Absorption und Reichweite von β‑ oder γ‑Strahlung und ermitteln aus den Messwerten mithilfe digitaler Werkzeuge die zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten. Bei ihren Ergebnissen unterscheiden sie zwischen Messunsicherheit und Messabweichung.
    Prozessbezogene Kompetenzen: Erkenntnisse gewinnen | Modelle und Experimente nutzen
  • bestimmen die Art und die Intensität der Strahlung radioaktiver Alltagsmaterialien und ziehen Rückschlüsse auf die von diesen Materialien ausgehende Strahlenbelastung im Alltag. Aufbauend auf ihren Erkenntnissen sowie vorgegebenen Quellen entwickeln sie Handlungsoptionen für einen adäquaten Umgang mit diesen Materialien.
    Prozessbezogene Kompetenzen: kommunizieren | bewerten | Modelle und Experimente nutzen

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Polarisationsversuche mit Licht
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Superposition und Komponenten
  • Informationsübertragung mit Licht
    Gegenstandsbereiche: Superposition und Komponenten
  • Elektronenbeugung
    Gegenstandsbereiche: Superposition und Komponenten | Mathematisieren und Vorhersagen
  • Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquantums mit der Gegenfeldmethode
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Aufbau eines Spektrometers
    Gegenstandsbereiche: Superposition und Komponenten | Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Absorption und Reichweite von β‑ oder γ‑Strahlung
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen | Zufall und Determiniertheit
  • Radioaktivität im Alltag
    Gegenstandsbereiche: Mathematisieren und Vorhersagen

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