Lehrplan PLUS

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Physik 8 – Phänomene experimentell untersuchen und modellieren

gültig ab Schuljahr 2020/21

In der Jahrgangsstufe 8 erfahren die Schülerinnen und Schüler das Wechselspiel zwischen Phänomen/Alltagserfahrung, Experiment und Theorie als einen zentralen Aspekt der physikalischen Arbeitsweise. Ausgehend von Phänomenen und Beobachtungen im Alltag entwickeln sie durch Experimente, die sie immer wieder auch selbst durchführen, und die Arbeit mit Modellen theoretische Vorstellungen von zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhängen. Diese Theorien wiederum führen zu Vorhersagen über physikalische Phänomene und Alltagsvorgänge und werfen weitergehende Fragen auf, die den Anstoß zu neuen experimentellen Untersuchungen geben. Diese für die Physik charakteristische Arbeitsweise steht in allen Lernbereichen im Zentrum, damit sie für die nachfolgenden Jahrgangsstufen als gefestigte Grundlage für den weiteren Kompetenzaufbau dienen kann.

Die Schülerinnen und Schüler sollen mindestens vier der sechs (ohne Profilbereich) ausgewiesenen Schülerexperimente durchführen. Die ersatzweise Durchführung der evtl. verbleibenden Schülerexperimente als Demonstrationsexperiment ist verpflichtend; auch in diesem Fall sind die relevanten Aspekte der zugehörigen Kompetenzerwartungen zu berücksichtigen.

Ph8 Lernbereich 1: Elektrischer Strom (ca. 14 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • nutzen ein anschauliches Modell zum elektrischen Stromkreis, um die elektrischen Grundgrößen Stromstärke, Spannung und Widerstand zu veranschaulichen und Zusammenhänge zwischen diesen Größen zu erläutern. Dabei grenzen sie alltagssprachliche Formulierungen von fachsprachlich korrekten ab. An ausgewählten Stellen erläutern sie Grenzen des verwendeten Modells.
  • entwerfen unter Anleitung einen Versuchsaufbau zur Aufnahme von Kennlinien. Sie führen ihre Messungen unter angeleiteter Verwendung von Stromstärke- und Spannungsmessgeräten durch und fertigen mit Hilfe ein strukturiertes Versuchsprotokoll an. Sie sind sich wesentlicher Gefahren des elektrischen Stroms bewusst und berücksichtigen Sicherheitsvorkehrungen beim Experimentieren.
  • wenden die Definitionsgleichung des elektrischen Widerstands an, um Berechnungen in einem einfachen elektrischen Stromkreis durchzuführen. Hierbei gehen sie sicher mit den Einheiten der elektrischen Grundgrößen um und berücksichtigen die Genauigkeit experimentell ermittelter Werte.
  • recherchieren in vorgegebenen Quellen, z. B. im Internet, wie Schaltkreise im Haushalt, insbesondere aufgrund von Sicherheitsaspekten, aufgebaut sind. Sie stellen ihre Rechercheergebnisse unter Anleitung in Form von Schaltbildern und fachsprachlich korrekten Texten dar.
  • planen selbständig die experimentelle Untersuchung von Stromstärken und Spannungen in Reihen- und Parallelschaltungen. Sie führen diese Untersuchung – mit Hilfe bei der Verwendung von Stromstärke- und Spannungsmessgeräten – selbständig durch und erstellen selbständig ein strukturiertes Versuchsprotokoll.
  • erläutern unter Verwendung des eingeführten Modells zum elektrischen Stromkreis und geeigneter Rechnungen Beobachtungen zu Stromstärken und Spannungen in elektrischen Schaltungen mit maximal drei Widerständen.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Modell des elektrischen Stromkreises, elektrische Stromstärke, Festlegung der Stromrichtung, elektrische Spannung als Antrieb für den elektrischen Strom, Gleich- und Wechselstrom
  • Schülerexperiment: Messen elektrischer Größen und Erstellen der Kennlinien für einen Ohm‘schen und einen nicht-Ohm‘schen Widerstand
  • elektrischer Widerstand, Leiter, Isolator, Kurzschluss
  • einfache technische Anwendungen im Bereich der Haushaltsinstallation
  • Schülerexperiment: Untersuchung von Stromstärken und Spannungen in Reihen- und Parallelschaltungen, Stromstärken und Spannungen in elektrischen Schaltungen mit maximal drei Widerständen

Ph8 Lernbereich 2: Optik (ca. 14 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • formulieren auf der Grundlage von Alltagserfahrungen, einfachen Experimenten und physikalischen Vorkenntnissen eigene Vermutungen und Erklärungsansätze zu optischen Phänomenen (z. B. Spiegelbilder, Brechung).
  • verwenden ein einfaches Modell der Lichtausbreitung und des Reflexionsgesetzes, um am Beispiel des Spiegels eine physikalisch strukturierte Erklärung der Entstehung von Bildern nachzuvollziehen.
  • planen unter Anleitung ein Experiment zur Untersuchung der Abbildung durch eine Sammellinse, das sie selbständig durchführen und dokumentieren. Sie formulieren auf der Grundlage ihrer Beobachtungen und Messergebnisse halbquantitative Aussagen über Zusammenhänge zwischen den dabei relevanten Größen.
  • analysieren mithilfe einer geeigneten Simulationssoftware die Lichtausbreitung an einer Sammellinse und übertragen unter Verwendung halbquantitativer Aussagen zum Brechungsgesetz die Struktur physikalischer Argumentationsweisen auf eigene Erklärungen zur Entstehung virtueller und reeller Bilder bei einer Sammellinse. Sie veranschaulichen ihre Erklärungen mithilfe selbst angefertigter Zeichnungen.
  • benennen Risiken bei Experimenten in der Optik und beim Umgang mit Lichtquellen und optischen Geräten im Alltag (z. B. bei der Verwendung von Sammellinsen und bei der Handhabung von Laserpointern) und reflektieren vorgegebene Sicherheitshinweise.
  • vergleichen Rechercheergebnisse im Internet mit einem vorgegebenen, passgenauen Sachtext, z. B. zur Bildentstehung beim Auge. Sie erstellen fachsprachlich korrekte Zusammenfassungen dieser Quellen und fertigen aussagekräftige Zeichnungen sorgfältig an bzw. nutzen digitale Medien zur Veranschaulichung.
  • beschreiben auf der Grundlage physikalischer Kenntnisse technische Anwendungen der Totalreflexion und erläutern die Bedeutung dieser Technologien z. B. in der Medizin oder in der Nachrichtentechnik.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Schülerexperiment: Bildentstehung am Spiegel, Reflexionsgesetz, Spiegel und virtuelles Bild
  • Brechung
  • Schülerexperiment: Abbildung durch eine Sammellinse, Entstehung reeller und virtueller Bilder
  • Auge und Fehlsichtigkeit, Zerstreuungslinsen
  • Totalreflexion und technische Anwendungen, Lichtleiter

Ph8 3.1 Dynamik zweidimensionaler Bewegungen (ca. 17 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • wenden die Definitionsgleichung der Geschwindigkeit an, um Geschwindigkeiten abzuschätzen, im Rahmen von experimentellen Untersuchungen zu bestimmen und einfache Berechnungen durchzuführen. Hierbei gehen sie sicher mit Einheiten und der Genauigkeit von Messwerten um.
  • kennzeichnen in Stroboskopdarstellungen oder mithilfe geeigneter Software in Videos von zweidimensionalen Bewegungen die Geschwindigkeit eines Körpers, indem sie Pfeile als fachtypische Darstellungsform verwenden.
  • bestimmen zeichnerisch die Geschwindigkeitsänderung und die Geschwindigkeit vor bzw. nach einer Krafteinwirkung für das betreffende Zeitintervall.
  • analysieren Geschwindigkeitsänderungen von Bewegungen: Sie beschreiben maßgebliche Größenabhängigkeiten mithilfe von Je-desto-Aussagen, machen das zweite Newton’sche Gesetz in der Form F ⋅ Δt = m ⋅ Δv plausibel und nutzen diese Gleichung zur Definition der physikalischen Größe Kraft. Sie argumentieren mit den jeweils relevanten Größenabhängigkeiten in alltagsrelevanten Kontexten, insbesondere aus dem Straßenverkehr oder aus dem Sport, auch um die Beträge von Kräften abzuschätzen und Risiken zu beurteilen.
  • nutzen im Spezialfall eindimensionaler Bewegungen das zweite Newton‘sche Gesetz und die Beschleunigung für Argumentationen und einfache Berechnungen.
  • planen unter Anleitung ein Experiment zur Bestimmung der Beschleunigungen von Körpern aus gemessenen Geschwindigkeitsänderungen, beispielsweise mithilfe von Sensoren oder einer Videoanalyse, das sie mit Hilfe durchführen und auswerten.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Betrag der Geschwindigkeit
  • Geschwindigkeit bei zweidimensionalen Bewegungen, Geschwindigkeitspfeil zur Veranschaulichung
  • Geschwindigkeitsänderung bei zweidimensionalen Bewegungen als Folge einer Krafteinwirkung, Pfeil der Geschwindigkeitsänderung
  • zweites Newton’sches Gesetz in der Form F ⋅ Δt = m ⋅ Δv, Definition der physikalischen Größe Kraft, Masse als Maß für die Trägheit eines Körpers, Prinzip der dynamischen Kraftmessung
  • Beschleunigung, Kraft als Produkt von Masse und Beschleunigung im Spezialfall der eindimensionalen Bewegung, Schülerexperiment: Bestimmung der Beschleunigung eines Körpers

Ph8 3.2 Kräfte und ihre Wirkungen (ca. 11 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • unterscheiden zwischen Masse und Gewichtskraft und untersuchen insbesondere auch alltagssprachliche Formulierungen.
  • analysieren alltägliche Bewegungen unter dem Einfluss mehrerer Kräfte und übertragen ihre Kenntnisse zur Addition von Geschwindigkeitspfeilen auf die Addition von Kräften. Am Beispiel der schiefen Ebene führen sie mit der Zerlegung einer Kraft in Komponenten vorgegebener Richtungen auch die Umkehrung dieser Operation durch.
  • argumentieren in alltagsrelevanten Kontexten mit dem Trägheitsgesetz und dem Kräftegleichgewicht. Sie verfassen, unterstützt durch selbst angefertigte aussagekräftige Skizzen, kurze Texte mit physikalisch schlüssigen Argumentationen. Sie nutzen das Kräftegleichgewicht zur statischen Kraftmessung.
  • identifizieren in einer vorgegebenen Bewertung zu einer einfachen kontextbezogenen Problemstellung aus der Mechanik physikalische und außerfachliche Argumente und analysieren die argumentative Struktur der Bewertung. Im Zusammenhang mit vorgegebenen Gefahrensituationen im Straßenverkehr erklären sie auf der Grundlage des Trägheitssatzes und des zweiten Newton’schen Gesetzes die Bedeutung wichtiger Sicherheitssysteme im Auto.
  • stellen Alltagsvorstellungen zu Bewegungen und ihren Ursachen deren physikalische Beschreibung gegenüber und vollziehen in diesem Zusammenhang einen wesentlichen Erkenntnisfortschritt durch die physikalische Sicht auf die Natur nach.
  • planen unter Anleitung einen geeigneten Versuch, um einen Zusammenhang zwischen Kraft und Verformung dehnbarer Körper zu untersuchen, führen diesen selbständig durch und protokollieren ihn selbständig. Sie verwenden ein Tabellenkalkulationsprogramm, um die Messwerte, auch unter Verwendung von Ausgleichsgeraden, graphisch auszuwerten, und identifizieren dabei den Hooke’schen Bereich.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Bewegungen unter dem Einfluss der Gewichtskraft, freier Fall als Beispiel einer eindimensionalen Bewegung, Fallbeschleunigung, Zusammenhang zwischen Masse und Gewichtskraft
  • Bewegungen unter dem Einfluss mehrerer Kräfte, Kräfteaddition, Hinweis auf Reibungskräfte einschließlich des Luftwiderstands
  • Kräftegleichgewicht, Trägheitssatz
  • Kräftezerlegung an der schiefen Ebene
  • statische Kraftmessung mittels Kräftegleichgewicht
  • Kräfte als Ursache einer Verformung, Schülerexperiment: Dehnung-Kraft-Diagramme und Hookescher Bereich

Ph8 Lernbereich 4: Profilbereich am NTG (ca. 28 Std.)
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Im Profilbereich vertiefen die Schülerinnen und Schüler ihre prozessbezogenen Kompetenzen in den Bereichen Erkenntnisse gewinnen, Kommunizieren und Bewerten. Der Lernbereich 4.1 ist verpflichtend; insbesondere sollen die unter 4.1 aufgeführten Schülerexperimente von den Schülerinnen und Schülern selbst durchgeführt werden. Die unter 4.2 aufgeführte Inhaltsliste ist eine Vorschlagsliste, aus der einzelne Themen ausgewählt werden können; auch andere Themen (insb. aus der Technik), die sich an die Ph8-Lernbereiche 1 bis 3 anlehnen, können Gegenstand des Unterrichts sein.

Ph8 4.1 Untersuchungen an Solarzellen und anderen Elektrizitätsquellen (ca. 10 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • messen selbständig Stromstärken und Spannungen in Reihen- und Parallelschaltungen von Solarmodulen, variieren äußere Einflussgrößen (z. B. Neigungswinkel, Beschattung) und ziehen Schlussfolgerungen für eine optimale Nutzung von Solarmodulen, die sie beispielsweise in Form einer Betriebsanleitung formulieren. Sie testen die Verwendbarkeit von Solarmodulen in unterschiedlichen technischen Anwendungen.
  • untersuchen experimentell Aufbau und Eigenschaften weiterer Spannungsquellen (z. B. Modellversuch zum galvanischen Element, Untersuchung der Ausgangsspannungen unterschiedlicher Netzgeräte, Innenwiderstand und Klemmenspannung einer Batterie und einer Solarzelle) und interpretieren ausgewählte Beobachtungen mithilfe ihrer theoretischen Kenntnisse zum elektrischen Stromkreis.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Schülerexperimente: Untersuchung von Solarmodulen in Reihen- und Parallelschaltungen, Variation äußerer Einflussgrößen
  • Aufbau und Eigenschaften weiterer Spannungsquellen

Ph8 4.2 Vertiefung prozessbezogener Kompetenzen anhand ausgewählter Inhalte (ca. 18 Std.)
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Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • führen weitgehend selbständig Experimente zur Beobachtung von Phänomenen sowie zur Beantwortung vorgegebener Fragestellungen durch. Sie werten experimentelle Daten unter Verwendung vorgegebener Darstellungsformen weitgehend selbständig aus, auch unter Verwendung geeigneter digitaler Hilfsmittel.
  • interpretieren Beobachtungen und Daten im Rahmen der Auswertung mit fachsprachlich korrekten Formulierungen oder einfachen Formen der Mathematisierung, ggf. unter Verwendung ihnen bereits bekannter Konzepte oder Modelle. Sie beschreiben die experimentelle Arbeitsweise in den wesentlichen Teilschritten.
  • entnehmen selbständig Informationen aus angemessenen Quellen und führen dabei auch Informationen aus mehreren Quellen, auch solchen im Internet, zusammen.
  • dokumentieren weitgehend selbständig experimentelle Untersuchungen sowie durch die Arbeit mit Modellen gewonnene Ergebnisse. Hierbei berücksichtigen sie Vorgaben zur Art und Struktur der Dokumentation und setzen vorgegebene fachtypische Darstellungsformen sachgerecht ein (z. B. Pfeile, Diagramme).
  • präsentieren Arbeitsergebnisse sachgerecht in mündlichen Beiträgen, Kurzreferaten oder anhand von Dokumentationen und verwenden hierbei bewusst wichtige Fachbegriffe des jeweiligen Themengebiets. Sie übertragen gebräuchliche alltagssprachliche Formulierungen in fachsprachliche Aussagen.
  • untersuchen die Struktur von Bewertungen zu einfach strukturierten Problemstellungen auf der Grundlage bereits erworbener Fachkenntnisse sowie weitgehend selbständig gewonnener Arbeitsergebnisse (z. B. durch Textarbeit oder Recherche). Sie formulieren zu solchen Kontexten auch eigene kurze Bewertungen. Sie reflektieren, dass sich Bewertungen aufgrund der Auswahl und der Gewichtung von Kriterien unterscheiden können.
Inhalte zu den Kompetenzen:
  • Bau und Anwendung einfacher elektrischer Geräte und Schaltungen, z. B. Leitfähigkeitsmesser, elektrisches Thermometer
  • Reflexion und Bildentstehung an gewölbten Spiegeln, Lupe, Bau optischer Instrumente, Ergänzung der experimentellen Untersuchungen durch geeignete Simulationssoftware
  • Farbwahrnehmung und Farbmischung, Dispersion bei der Brechung von Licht
  • Messung von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen in Alltagssituationen und im Sport, auch mithilfe geeigneter Sensoren, theoretische Betrachtungen zu den gemessenen Größen
  • Untersuchung zweidimensionaler Bewegungen und Ermittlung wirkender Kräfte in Beispielen aus dem Sport durch Erstellung und Auswertung von Stroboskopaufnahmen oder Videoanalyse