Lehrplan PLUS

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Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung München

Physik 13 (grundlegendes Anforderungsniveau)

gültig ab Schuljahr 2025/26

Ph13 Bildungsstandards, Lehrplanalternativen und Anforderungsniveaus
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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 1.1 Eigenschaften von Quantenobjekten (ca. 9 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • beschreiben den Aufbau der Elektronenbeugungsröhre und formulieren basierend auf qualitativen Untersuchungen Hypothesen zur Interpretation des Schirmbilds. Zur Überprüfung der Hypothese, dass Elektronen Welleneigenschaften besitzen, planen sie ein weiteres Experiment.
  • erschließen sich mithilfe einer digitalen Simulation die wesentlichen Eigenschaften des Quantenobjekts Elektron. Dabei folgern sie die Unzulänglichkeit der klassischen Beschreibung sowie die Notwendigkeit der Einführung des Begriffs Quantenobjekt.
  • schließen anhand experimenteller Daten auf den quantitativen Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge des Quantenobjekts Elektron. Sie bestimmen die Proportionalitätskonstante h unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten.
  • identifizieren mithilfe einer digitalen Simulation des Doppelspaltexperiments das Photon durch Vergleich mit den Eigenschaften des Elektrons als Quantenobjekt.
  • ermitteln aus der Grenzfrequenz des Röntgenbremsspektrums das Planck’sche Wirkungsquantum als Proportionalitätskonstante zwischen Frequenz und Photonenenergie und folgern die universelle Bedeutung dieser Konstante. Den Impuls des Photons leiten sie aus einer relativistischen Betrachtung ab.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Qualitative Experimente mit der Elektronenbeugungsröhre
  • Simulation des Doppelspaltexperiments: wellenartiges, teilchenartiges und stochastisches Verhalten des Quantenobjekts Elektron, Interpretation mithilfe einer Wellenfunktion
  • de Broglie‑Beziehung für das Elektron
  • wellenartiges, teilchenartiges und stochastisches Verhalten des Quantenobjekts Photon
  • Energie und Impuls des Photons

Ph13 1.2 Einblick in das Weltbild der Quantenphysik (ca. 6 Std.)
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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.
  • erläutern das grundlegende Prinzip der Komplementarität am Beispiel der Beschreibung eines Quantenobjekts als Welle und Teilchen.
  • beschreiben exemplarisch am Doppelspaltexperiment den quantenphysikalischen Messprozess als zufällige Auswahl eines Realität werdenden Zustands. An einem ausgewählten Beispiel erläutern sie die Nicht-Lokalität eines quantenphysikalischen Zustands. Sie vergleichen den quantenphysikalischen mit dem klassischen Messprozess und reflektieren die Problematik der Übertragung von Begriffen aus der Anschauungswelt in die Quantenphysik.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Wellenfunktion: Zusammenhang von Wellenfunktion und Nachweiswahrscheinlichkeit, Superposition, Determiniertheit
  • Komplementarität
  • quantenphysikalischer Messprozess, Kausalität, Realität, Nicht‑Lokalität, Komplementarität von Weginformation und Interferenzfähigkeit

Ph13 Lernbereich 2: Ein Atommodell der Quantenphysik (ca. 16 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • verwenden das Modell des eindimensionalen Potentialtopfs mit unendlich hohen Wänden, um grundlegende Eigenschaften eines Systems mit einem räumlich eingeschränkten Elektron zu beschreiben. Sie skizzieren die Wellenfunktionen sowie die zugehörigen Dichten der Aufenthaltswahrscheinlichkeit und schließen auf diskrete Energieniveaus. Zur Lage dieser Energieniveaus stellen sie quantitative Betrachtungen an.
  • 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.
  • 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.
  • verifizieren anhand des Wasserstoffspektrums das dem Modell entnommene Energieniveauschema.
  • erläutern für beliebige Atome Beobachtungen zu Emission und Absorption von Strahlung mithilfe des vorgegebenen Energieniveauschemas der Atomhülle als Ganzes.
  • 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.

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • Eindimensionaler Potentialtopf mit unendlich hohen Wänden: eindimensionale stehende Wellen, diskrete Energiewerte, Wellenfunktionen und Nachweiswahrscheinlichkeiten für das Elektron
  • Wellenfunktionen für weitere eindimensionale Potentiale, u. a. Potentialtopf mit endlich hohen Wänden, Coulomb‑Potential, Hinweis auf den Tunneleffekt
  • Darstellung von Aufenthaltswahrscheinlichkeiten durch Orbitale, Struktur der Orbitale des Wasserstoffatoms, Quantenzahlen, Energiewerte für Wasserstoff
  • Emission und Absorption von Licht atomarer Gase, Energieniveauschema der Atomhülle, charakteristisches Röntgenspektrum
  • Energieübertrag durch Stoßanregung, Franck‑Hertz-Versuch

Ph13 Lernbereich 3: Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie (ca. 7 Std.)
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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.
  • diskutieren am Beispiel der Teilchenphysik den Wert physikalischer Grundlagenforschung für die Gesellschaft und beziehen begründet einen Standpunkt zur Sinnhaftigkeit von Großforschungseinrichtungen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: Überblick über Methoden zur Strukturuntersuchung: Interferenz, Aufnahme und Abgabe von Energie, Streuexperimente, Kollisionsexperimente
  • EVA – eigenverantwortliches Arbeiten: Grundaussagen des Standardmodells: Zusammensetzung der Hadronen aus Quarks, Teilchenfamilien, fundamentale Wechselwirkungen und ihre Austauschteilchen, Erhaltung der Leptonen- und Baryonenzahl

Ph13 4.1 Ein einfaches Kernmodell der Quantenphysik (ca. 12 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • führen quantitative Betrachtungen zur mittleren Bindungsenergie pro Nukleon und zu Energiebilanzen bei Zerfällen und ausgewählten Beispielen von Kernreaktionen durch.
  • beurteilen die Eignung des Modells des eindimensionalen unendlich hohen Potentialtopfs zur Beschreibung des Atomkerns. Sie erweitern das Modell unter Berücksichtigung der Eigenschaften der starken und der elektromagnetischen Wechselwirkung sowie den Eigenschaften der Nukleonen als Quantenobjekte. Sie reflektieren Möglichkeiten und Grenzen des Erkenntnisgewinnungsprozesses aus Analogieüberlegungen.
  • 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. Dabei ergänzen sie exemplarisch die Energiebetrachtungen durch qualitative Impulsbetrachtungen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Massendefekt und mittlere Bindungsenergie je Nukleon in Abhängigkeit von der Nukleonenzahl
  • Potentialtopfmodell des Kerns, Hinweis auf das Pauli‑Prinzip
  • Entstehung von α‑, β-‑, β+‑ und γ‑Strahlung, Tunneleffekt beim α‑Zerfall, β‑Zerfälle im Standardmodell, Stabilität von Atomkernen
  • Energiebilanzen bei Zerfällen und Kernreaktionen, Energiespektren der Strahlungsarten

Ph13 4.2 Radioaktivität und Kernenergietechnik (ca. 13 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erläutern ausgehend von der ionisierenden Wirkung der α‑, β‑ und γ‑Strahlung die grundsätzliche Funktionsweise eines Geiger‑Müller-Zählers.
  • erläutern unter Zuhilfenahme geeigneter Software anhand vorgegebener experimenteller Daten zum radioaktiven Zerfall das Zerfallsgesetz und deuten die Streuung der Messwerte als Folge der stochastischen Natur des radioaktiven Zerfalls.
  • wählen im Rahmen von Anwendungen zum radioaktiven Zerfall problembezogen geeignete Größengleichungen zur quantitativen Beschreibung aus und interpretieren ihre Ergebnisse im jeweiligen Sachkontext.
  • 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.
  • 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.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Ionisierende Wirkung und Nachweis von α‑, β‑ und γ‑Strahlung
  • Aktivität, Zerfallsgesetz, Halbwertszeit
  • Anwendung des radioaktiven Zerfalls zur Altersbestimmung am Beispiel der C14‑Methode
  • Strahlenbelastung des Menschen durch natürliche und künstliche Strahlung, Energiedosis und Äquivalentdosis, Maßnahmen zum Strahlenschutz
  • Kernenergietechnik: Kernspaltung, Kettenreaktion und prinzipieller Aufbau eines Kernreaktors, Chancen und Risiken der Kernenergienutzung