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Ph13 Lernbereich 2: Elektromagnetische Schwingungen und Wellen (ca. 40 Std.) Abschnitt zur PDF-Sammlung hinzufügen

Fachoberschule: Physik 13 (T)

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

  • erklären die Entstehung einer freien elektromagnetischen Schwingung mit dem Zusammenwirken von Kondensator und Spule zu einem elektromagnetischen Schwingkreis und erörtern qualitativ die Auswirkungen der Dämpfung auf den zeitlichen Verlauf von Spannung und Stromstärke in einem realen elektromagnetischen Schwingkreis.
  • erläutern die in einem idealen Schwingkreis ablaufenden Energieumwandlungen in Analogie zu mechanischen Schwingungen und nutzen das Prinzip der Energieerhaltung, um den zeitlichen Verlauf von Spannung, Stromstärke, Ladung sowie elektrischer und magnetischer Feldenergie mithilfe geeigneter trigonometrischer Funktionen zu modellieren und grafisch darzustellen. Sie führen auf Grundlage des Energieerhaltungssatzes quantitative Berechnungen durch und nutzen dabei auch Zusammenhänge zwischen der Eigenfrequenz eines idealen Schwingkreises, der Kapazität und der Induktivität.
  • planen unter Verwendung der Thomson-Gleichung elektromagnetische Schwingkreise zu verschiedenen Eigenfrequenzen. Dabei nutzen sie das Prinzip der Rückkopplung zur Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen.
  • stellen die Frequenzabhängigkeit der Resonatorspannung sowie der Phasenverschiebung zwischen der Erreger‑ und Resonatorspannung anhand von Messwerten bei Experimenten zur berührungslosen Energieübertragung zwischen induktiv gekoppelten Schwingkreisen grafisch dar und begründen anhand ihrer grafischen Auswertungen die optimale drahtlose Energieübertragung zwischen zwei Schwingkreisen im Resonanzfall.
  • beschreiben einen Hertz'schen Dipol als offenen Schwingkreis in der Grundschwingung (λ/2-Dipol) und formulieren die in ihm ablaufenden Vorgänge, indem sie ihre Kenntnisse über den geschlossenen Schwingkreis auf den offenen Schwingkreis übertragen. Anhand der zeitlichen Änderungen der Stromstärke‑ und Spannungsverteilung an einem oszillierenden λ/2‑Dipol veranschaulichen sie qualitativ die elektrischen und magnetischen Felder im Nahbereich des Dipols zu bestimmten Zeitpunkten durch Feldlinienbilder.
  • beurteilen mithilfe der Abstrahlcharakteristik eines λ/2‑Dipols sowie eines geeigneten Modells für die Struktur einer freien elektromagnetischen Welle im Fernfeld eines λ/2‑Dipols Empfangsmöglichkeiten mit Dipolen (Stabantennen) und Spulen (Ringantennen) durch Resonanzerscheinungen und berechnen für Dipole frequenzabhängig die optimale kleinste Empfangslänge.
  • führen quantitative Betrachtungen zu Interferenzexperimenten mit Dipolstrahlung durch und bestimmen experimentell die Wellenlänge von Dipolstrahlung. Dabei nutzen sie in Analogie zu mechanischen Wellen das Superpositionsprinzip zur Erklärung von konstruktiver und destruktiver Interferenz elektromagnetischer Wellen sowie der Erzeugung einer stehenden Welle. Ausgehend von physikalischen Zusammenhängen ermitteln sie quantitativ die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen in Abhängigkeit von der durchdrungenen Materie.
  • identifizieren Licht als elektromagnetische Welle, indem sie übereinstimmende Ergebnisse aus Experimenten zur Beugung, Interferenz, Brechung, Reflexion und Polarisation von Dipolstrahlung und Licht einander gegenüberstellen. Auf der Basis ihres Wissens um grundlegende Eigenschaften und Wirkungen nichtionisierender elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen‑ bzw. Frequenzbereiche des elektromagnetischen Spektrums bewerten sie Risiken und Sicherheitsmaßnahmen bei der Nutzung von Radio‑, Mikrowellen sowie sichtbarem Licht im Alltag und bei modernen Technologien, z. B. Mobilfunk, WLAN, Laserpointer.
  • bestimmen die Wellenlänge von kohärentem monochromatischem Licht (z. B. Laserlicht) aus Daten von Doppelspalt‑ und Beugungsgitterversuchen und bewerten qualitativ den Einfluss der Anzahl der durchleuchteten Spalte auf die Intensitätsverteilung des gebeugten Lichts am Beobachtungsschirm. Bei Interferenzerscheinungen am optischen Gitter entscheiden sie durch Rechnung, unter welchen Winkeln gegenüber der Senkrechten zum Gitter Intensitätsmaxima bzw. Intensitätsminima bestimmter Ordnung auftreten.
  • beschreiben experimentelle Methoden zur spektralen Zerlegung des Lichts einer Gasentladungsröhre sowie eines glühenden Körpers mithilfe eines optischen Gitters unter der Voraussetzung kohärenter Lichtquellen. Sie vergleichen Lichtquellen anhand ihrer Spektren bzw. Interferenzbilder und ermitteln experimentell aus diesen die Wellenlängen einzelner Spektrallinien sowie Wellenlängenbereiche von Spektralfarben des sichtbaren Lichts.
  • ermitteln mithilfe selbständig geplanter und durchgeführter Interferenzexperimente Gitterkonstanten periodischer Strukturen zur Beugung von sichtbarem Licht (z. B. optische Beugungsgitter, optische Datenträger) und bewerten die technischen Anwendungsmöglichkeiten der untersuchten Strukturen.

Inhalte zu den Kompetenzen:

  • elektromagnetischer Schwingkreis, Eigenfrequenz, Thomson-Gleichung
  • Differenzialgleichung der freien, ungedämpften elektromagnetischen Schwingung
  • freie gedämpfte elektromagnetische Schwingung
  • Entladen eines Kondensators über eine Spule
  • Rückkopplungsschaltung nach der Idee von Alexander Meißner
  • induktiv gekoppelte Schwingkreise, Resonanz, Phasenverschiebung
  • Stromstärke‑ und Spannungsverteilung am Dipol in der Grundschwingung
  • Abstrahlcharakteristik, abgestrahlte Intensität bzgl. der Dipolachse (insbesondere senkrecht und parallel zur Dipolachse)
  • freie elektromagnetische Welle, Polarisation, Transversalwelle, Ausbreitungsgeschwindigkeit, Verknüpfung von elektrischem und magnetischem Feld
  • Interferenzexperimente mit Dipolstrahlung, Doppelspalt, Interferenz gegenläufiger Wellen, z. B. Reflexion an Metallwand
  • Beugung am Einfachspalt (nur qualitativ)
  • Beugung und Interferenz am Doppelspalt, Bedingungen für Intensitätsmaxima und Intensitätsminima
  • Beugung und Interferenz am Gitter (Mehrfachspalt), Bedingung für Intensitätsmaxima
  • elektromagnetisches Spektrum, Emissionsspektren, Linienspektrum, kontinuierliches Spektrum