Lehrplan PLUS

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Physik

1 Selbstverständnis des Faches Physik und sein Beitrag zur Bildung
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In der Physik werden Naturphänomene sowie Aufbau und Eigenschaften der Materie modellhaft beschrieben. Ihre Forschungsinhalte reichen von den elementaren Bausteinen der Materie bis hin zum Aufbau des Universums. Physikalische Forschung ist durch das Wechselspiel von Theorie und Experiment gekennzeichnet.

Physikalische Erkenntnisse und Arbeitsmethoden sind von grundlegender Bedeutung, da sie – zusammen mit denen anderer Wissenschaften – unser Weltbild stetig weiterentwickeln. Als Grundlage technischer Entwicklungen in der Energieversorgung, Kommunikationstechnologie, Medizin und in vielen weiteren Fachgebieten prägen physikalische Errungenschaften die Berufs- und Arbeitswelt sowie das Leben jedes Einzelnen.

Kinder und Jugendliche zeigen ein hohes Interesse an Naturerscheinungen und deren Erklärungsmöglichkeiten. Neugier wecken auch technische Lösungen, deren Verständnis einer naturwissenschaftlichen Grundbildung bedarf. Im Physikunterricht eignen sich die Schülerinnen und Schülern deshalb zum einen grundlegende Kenntnisse zu Naturgesetzen und technischen Anwendungen an, andererseits das Verständnis für charakteristische Denk- und Arbeitsweisen der Naturwissenschaft Physik. Die Jugendlichen entwickeln in der Auseinandersetzung mit Fachinhalten Kompetenzen, beispielsweise Erkenntnisse mithilfe von naturwissenschaftlichen Methoden zu gewinnen, theoretische Modelle zu nutzen und kritisch zu reflektieren, fachliche Informationen zu recherchieren, aufzubereiten und zu präsentieren sowie Chancen und Risiken moderner Technologien zu bewerten.

Selbständiges Handeln im Bereich der Naturwissenschaften fördert die strukturierte Planung und Durchführung von Vorhaben, Kreativität, Durchhaltevermögen sowie Abstraktions- und Kritikfähigkeit. Sowohl das Experimentieren in Gruppen als auch die Durchführung von Unterrichtsprojekten schulen die Team- und Kommunikationsfähigkeit, ein positives Sozialverhalten und die Bereitschaft zur Übernahme von Verantwortung. Das Fach Physik leistet somit nicht nur einen wesentlichen Beitrag zur Allgemeinbildung, sondern auch zur Vorbereitung auf die Berufs- und Arbeitswelt sowie zur Persönlichkeitsentwicklung.

2.1 Kompetenzstrukturmodell
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Kompetenzstrukturmodell Physik

Das Kompetenzstrukturmodell bildet die fachliche Grundlage für die Ausgestaltung des Lehrplans für das Fach Physik. Sowohl die Grundlegenden Kompetenzen im Kapitel 3 als auch die Kompetenzerwartungen im Fachlehrplan sind mit den Elementen des Kompetenzstrukturmodells verbunden.

Das Kompetenzstrukturmodell für das Fach Physik weist drei prozessbezogene Kompetenzen im äußeren Ring und vier Gegenstandsbereiche im Inneren aus. Der Kompetenzerwerb der Schülerinnen und Schüler basiert auf dem Zusammenwirken beider Dimensionen des Strukturmodells. Prozessbezogene Kompetenzen werden von Schülerinnen und Schülern im aktiven Umgang mit Fachinhalten erworben und angewandt. Fachinhalte aus unterschiedlichen Teilgebieten der Physik lassen sich mithilfe der Gegenstandsbereiche vernetzen. 

Das Modell orientiert sich an den Kompetenzbereichen der Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss, die im Jahr 2004 von der Kultusministerkonferenz beschlossen wurden.

2.2 Prozessbezogene Kompetenzen
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Die Schülerinnen und Schüler entwickeln im aktiven Umgang mit physikalischen Inhalten die prozessbezogenen Kompetenzen, die für das Fach Physik typisch sind. Erkenntnisse gewinnen, kommunizieren und bewerten stehen für Fähigkeiten und Fertigkeiten, die einerseits zum Lösen physikalischer Problemstellungen unerlässlich und andererseits charakteristisch für die Naturwissenschaft Physik sind. Für nachhaltig gewinnbringendes Lernen ist es von großer Bedeutung, dass die prozessbezogenen Kompetenzen im Unterricht bewusst und ausgewogen gefördert werden. Dies wird im Fachlehrplan durch die Ausweisung von Kompetenzerwartungen sichergestellt. Die prozessbezogenen Kompetenzen entwickeln sich bei den Schülerinnen und Schülern über die Jahrgangsstufen hinweg und werden im Fachlehrplan vielfältig inhaltsbezogen konkretisiert.

Erkenntnisse gewinnen
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Ausgehend von Beobachtungen formulieren die Schülerinnen und Schüler Fragestellungen und Hypothesen, entwickeln Modellvorstellungen, planen Experimente und führen diese anschließend durch. Im Rahmen experimenteller Auswertungen verwenden die Schülerinnen und Schüler Formen der Mathematisierung und entwickeln theoretische Modelle. Umgekehrt stoßen Modelle auch experimentelle Untersuchungen an und werden von den Schülerinnen und Schülern für Veranschaulichungen und Erklärungen genutzt. Indem die Schülerinnen und Schüler experimentelle Ergebnisse diskutieren sowie Nutzen und Grenzen von Modellen reflektieren, verinnerlichen sie die fachspezifische Arbeits- und Denkweisen der Physik.

Kommunizieren
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Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, sich physikalische Kenntnisse aus Fach­texten zu erschließen, Informationen zu recherchieren und Arbeitsergebnisse in Dokumentationen und Präsentationen adressatengerecht aufzubereiten. In fachlichen Diskussionen zeigen sie Offenheit und Bereitschaft, eigene Ideen und Vorstellungen einzubringen und sich mit Gegenargumenten kritisch auseinanderzusetzen. Die sach- und adressatengerechte Kommunikation in schriftlicher und mündlicher Form setzt vor allem Verständnis und bewusste Verwendung der Fachsprache voraus. Dazu gehört auch, fachspezifische Darstellungsformen, wie etwa Tabellen, Diagramme sowie physikalische und mathematische Symbole, gezielt und korrekt zu verwenden.

Bewerten
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Die Schülerinnen und Schüler lernen, physikalische Sichtweisen bei inner- und außerfachlichen Kontexten zu nutzen, um sachgerechte Entscheidungen für Problemstellungen zu treffen und, beispielsweise im Zusammenhang mit gesellschaftlich relevanten Fragestellungen wie der Energiewende, einen eigenen Standpunkt zu beziehen. Insbesondere bewerten sie technische Lösungen anhand fachlicher Gesichtspunkte einschließlich der Sicherheit sowie unter Einbeziehung ökologischer, ökonomischer und ethischer Aspekte. Die Schülerinnen und Schüler reflektieren Auswirkungen physikalischer Erkenntnisse in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen und sind sich der Chancen und Grenzen der Anwendung physikalischer Erkenntnisse bewusst.

2.3 Gegenstandsbereiche
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Der Bereich Fachwissen im Inneren des Kompetenzstrukturmodells, das im Unterkapitel 2.1 dargestellt ist, wird in die vier Gegenstandsbereiche Energie, Materie, Wechselwirkung und Systeme im Gleich- und Ungleichgewicht untergliedert. Diese grundlegenden fachlichen Konzepte werden über die Jahrgangsstufen hinweg in unterschiedlichen fachlichen Zusammenhängen wiederholt aufgegriffen, thematisiert und ausdifferenziert. Sie unterstützen somit den kontinuierlichen Aufbau fachlicher Kompetenzen im Sinne kumulativen Lernens sowie den Erwerb eines strukturierten und mit anderen Naturwissenschaften vernetzten Wissens.

Physikalische Inhalte können häufig mehreren Gegenstandsbereichen zugeordnet werden. Dies wird den Schülerinnen und Schülern in der Regel erst in einem längeren Lernprozess bewusst. Deshalb sind im Lehrplaninformationssystem die Kompetenzerwartungen des Fachlehrplans nur mit denjenigen Gegenstandsbereichen verknüpft, die in der jeweiligen Jahrgangsstufe aus Sicht der Schülerinnen und Schüler bei einem Inhalt im Vordergrund stehen.

Die Gegenstandsbereiche entsprechen den sogenannten Basiskonzepten der Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss, die im Jahr 2004 von der Kultusministerkonferenz beschlossen wurden. Im Folgenden sollen diese näher konkretisiert werden.

Energie
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Der Begriff der Energie zieht sich als roter Faden durch den Physikunterricht der Realschule. Mit der Einführung des Energiebegriffs in der Jahrgangsstufe 8 lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Erscheinungsformen von Energie kennen und erschließen sich, dass Prozesse aus Alltag, Natur und Technik vielfach mithilfe der Umwandlung von Erscheinungsformen der Energie beschrieben werden können. Dabei erkennen sie, dass die Gesamtheit der Energie stets erhalten bleibt, auch wenn Energieentwertung stattfindet. In einem abschließenden Kapitel über Energieversorgung in der Jahrgangsstufe 10 werden schließlich die verschiedenen Arten der Gewinnung von Energieträgern aus regenerativen bzw. nichtregenerativen (z. B. fossilen) Quellen sowie deren Vor- und Nachteile thematisiert. 

Beispiele: Arbeit und Wärme, Energieformen, Energieumwandlung, Energieerhaltung, Energieentwertung, Äquivalenz von Masse und Energie

Materie
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Durch Beschäftigung mit den Aggregatzuständen und deren Veränderung durch äußere Einflüsse, entdecken die Schülerinnen und Schüler Regelhaftigkeiten sowie Beziehungen in der Natur, die im Aufbau und in der Struktur der Materie begründet liegen. Sie erkennen, dass sich Stoffe durch spezifische Eigenschaften charakterisieren lassen und dass Körper und Stoffe aus Teilchen bestehen. Mithilfe der Erweiterung des Teilchenmodells zum Kern-Hülle-Modell beschreiben sie Phänomene der Elektrizität, mit einem Modell für den Aufbau eines Atomkerns veranschaulichen die Schülerinnen und Schüler schließlich Phänomene der Atom- und Kernphysik. 

Beispiele: Masse und Dichte, Aggregatzustände, Teilchenmodell, Atom- und Kernmodelle

Wechselwirkung
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Anhand lebensnaher Situationen lernen die Schülerinnen und Schüler verschiedene Arten der Wechselwirkung zwischen Körpern kennen, z. B. beim Aufeinandertreffen von Körpern (Verformung, Änderung der Bewegung), beim Verhalten von Körpern in Feldern (Gravitationsfeld, Magnetfeld, elektrisches Feld) und bei der Wechselwirkung von Strahlung und Materie sowie der Veränderung derselben (Wärmestrahlung, Radioaktivität).

Beispiele: magnetische und elektrische Felder, Gravitation, Newton’sche Gesetze, Impulserhaltung, Wechselwirkung von Strahlung mit Materie

Systeme im Gleich- und Ungleichgewicht
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Die Schülerinnen und Schüler erfahren, dass physikalische Systeme, wie z. B. ein geschlossener elektrischer Stromkreis, spezifische Eigenschaften besitzen (beschrieben durch physikalische Größen) und dass ihre Bestandteile untereinander in Wechselwirkung stehen, aber auch in Beziehung zu anderen Systemen. Physikalische Systeme können Gleichgewichtszustände besitzen. Störungen dieses Gleichgewichts führen zu Veränderungen innerhalb des Systems und der in ihm ablaufenden Prozesse (z. B. in Form eines veränderten Stromflusses). Durch Beschreiben von Gesetzmäßigkeiten zwischen äußeren Einflüssen und den Reaktionen des Systems, werden die Schülerinnen und Schüler in die Lage versetzt, Voraussagen über zukünftige Zustände des Systems zu treffen.

Beispiele: Kräftegleichgewicht, Druckunterschiede als Ursache für Teilchenströme, Temperaturgleichgewicht nach dem Mischen von Flüssigkeiten, elektrische Spannung als Folge unterschiedlicher Ladungszustände

3.1 Allgemeine Hinweise
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Der Fachlehrplan einer jeden Jahrgangsstufe ist in mehrere Lernbereiche untergliedert, die sich im Wesentlichen an den Teilbereichen der Physik (Optik, Mechanik, Wärmelehre, Elektrizitätslehre, Atom- und Kernphysik, Akustik und Astronomie) orientieren. Die Lernbereiche wiederum unterteilen sich in die beiden Abschnitte Kompetenzerwartungen und den dazugehörenden Inhalten.
Die Reihenfolge der Lernbereiche kann, soweit nicht durch den logischen Aufbau des Fachlehrplans bedingt, nach dem Ermessen der Lehrkraft innerhalb einer Jahrgangsstufe abgeändert werden. Die als Zeitrichtwerte genannten Stundenzahlen geben einen Hinweis für die Unterrichtsplanung.

Die ausgewiesenen Kompetenzerwartungen beschreiben Fähigkeiten und Fertigkeiten, welche sich die Schülerinnen und Schüler nach Auseinandersetzung mit den Inhalten des jeweiligen Lernbereichs angeeignet haben sollen. Sie führen prozessbezogene Kompetenzen, die im Unterkapitel 2.2 allgemein beschrieben sind, mit konkreten Inhalten zusammen. Kompetenzerwartungen beziehen sich in der Regel auf die Bewältigung von Anforderungen und können dementsprechend mit Aufgaben entwickelt und überprüft werden. Eine ausgewogene Verteilung der prozessbezogenen Kompetenzen in jeder Jahrgangsstufe und eine Progression der Kompetenzen über alle Jahrgangsstufen hinweg sind maßgeblich für den Aufbau des gesamten Fachlehrplans. Das kumulative Lernen der Schülerinnen und Schüler wird, sowohl was die prozessbezogenen Kompetenzen als auch die Inhalte angeht, durch den Aufbau des Fachlehrplans gezielt unterstützt.

Zur Förderung der experimentellen Fähigkeiten, die Teil der prozessbezogenen Kompetenz Erkenntnisgewinnung sind, sollen die Schülerinnen und Schüler regelmäßig selbst Experimente durchführen – sei es in Einzel-, in Partnerarbeit oder in Kleingruppen. Der Fachlehrplan weist deshalb in jeder Jahrgangsstufe eine Mindestzahl an durchzuführenden Schülerexperimenten aus.

3.2 Unterschiede zwischen den Wahlpflichtfächergruppen
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Aufgrund des geringeren Stundenmaßes in den nichttechnischen Wahlpflichtfächergruppen unterscheidet sich der Lehrplan sowohl durch die Lerninhalte und die Tiefe der behandelten Inhalte als auch in der Höhe der Anforderungen von der mathematisch-naturwissenschaftlich-technischen Wahlpflichtfächergruppe.

Dennoch werden in allen Wahlpflichtfächergruppen bis zum Ende der Jahrgangsstufe 10 die Bildungsstandards im Fach Physik für den Mittleren Schulabschluss, die im Jahr 2004 von der Kultusministerkonferenz beschlossen wurden, erreicht.

4 Zusammenarbeit mit anderen Fächern
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In modernen Forschungsprojekten findet häufig eine enge Kooperation zwischen den Naturwissenschaften Biologie, Chemie und Physik statt. Auch in der Schule bietet sich deshalb die interdisziplinäre Behandlung von naturwissenschaftlichen Fragestellungen an. Die Nähe zu den beiden anderen naturwissenschaftlichen Fächern spiegelt sich aber auch im grundlegenden Aufbau der Kompetenzstrukturmodelle dieser Fächer wieder. Die prozessbezogene Kompetenzen umfassen jeweils die drei Bereiche Erkenntnisse gewinnen, kommunizieren und bewerten. Hierbei verbindet insbesondere die Art und Weise der Erkenntnisgewinnung und der Interpretation gewonnener Daten die drei naturwissenschaftlichen Fächer.
Inhaltliche Anknüpfungspunkte zu Biologie ergeben sich darüber hinaus z. B. im Lernbereich Optik mit der Behandlung des Sehvorgangs oder im Lernbereich Atom- und Kernphysik mit der Diskussion von biologischen Folgen radioaktiver Strahlung. Schnittstellen zu Chemie ergeben sich über alle Jahrgangsstufen hinweg bei Veranschaulichungen mithilfe von Teilchen- und Atommodellen.

Physikalische Naturbeschreibung basiert zu einem wesentlichen Teil auf dem Prozess der Mathematisierung. Die mathematische Behandlung physikalischer Sachverhalte sollte dabei im Anfangsunterricht der Jahrgangsstufe 7 lediglich exemplarisch aufgezeigt werden und dann im Physikunterricht der Jahrgangsstufen 8 bis 10 eine behutsame Entwicklung erfahren.

Bei der Durchführung und Auswertung von Experimenten sowie bei der Verwendung von Standardsoftware zu Recherche-, Dokumentations- und Präsentationszwecken sind Computer und schülernahe digitale Endgeräte sinnvolle Hilfsmittel. Hierbei zeigen sich Anknüpfungspunkte zum Fach Informationstechnologie, die sinnvoll genutzt werden können.

Die Schülerinnen und Schüler lernen bedeutsame Wendepunkte in der Geschichte der Physik kennen und deuten physikalische Erkenntnisse in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen. Zudem erfordern zentrale gesellschaftlich relevante Themen, wie z. B. der Umweltschutz und die Sicherung der Energieversorgung, vielfach interdisziplinäre Betrachtungen. Für fächerübergreifende Unterrichtsvorhaben existieren somit zahlreiche Verbindungen zu den geistes- und gesellschaftswissenschaftlichen Fächern Geschichte, Geographie, Evangelische und Katholische Religionslehre sowie Ethik.

Das Fach Physik eröffnet durch sprachsensiblen und die Fachsprache entwickelnden Unterricht nicht nur für mehrsprachige Schülerinnen und Schüler die sprachlichen Voraussetzungen, dem Unterricht angemessen zu folgen sowie fachliche Kompetenzen zu erwerben und zu zeigen.

Im Bilingualen Sachfachunterricht erwerben die Schülerinnen und Schüler die im Fachlehrplan beschriebenen Kompetenzen, indem sie sich mit den dort aufgeführten Inhalten in der Fremdsprache auseinandersetzen.

5 Beitrag des Faches Physik zu den übergreifenden Bildungs- und Erziehungszielen
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Das Fach Physik leistet zu zahlreichen übergreifenden Bildungs- und Erziehungszielen wertvolle Beiträge. Die wichtigsten Aspekte sind im Folgenden aufgeführt.

Alltagskompetenz und Lebensökonomie
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Im Rahmen des Physikunterrichts setzen sich die Schülerinnen und Schüler unter anderem mit Inhalten der Handlungsfelder Gesundheitsvorsorge, selbstbestimmtes Verbraucherverhalten und Umweltverhalten auseinander, beispielsweise beim Thema Energieversorgung in der Jahrgangsstufe 10. Somit leistet das Fach Physik auch einen Beitrag zur Alltagskompetenz und Lebensökonomie, indem es die Schülerinnen und Schüler dazu anleitet, Einstellungen zu überdenken und ihr Handeln in diesen Bereichen entsprechend zu optimieren.

Alltagskompetenzen Alltagskompetenzen
Bildung für Nachhaltige Entwicklung
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Die Energieversorgung sicherzustellen und diese mit Nachhaltiger Entwicklung zu verbinden, stellt die jetzigen und zukünftigen Generationen vor große Herausforderungen. Neuen technischen Entwicklungen kommt hierbei eine zentrale Bedeutung zu. Das Fach Physik macht die Schülerinnen und Schüler mit den fachlichen Grundlagen vertraut, verschiedene Formen der Energiebereitstellung und des Energietransports zu vergleichen und zu bewerten. Hierbei wägen sie Kriterien wie Wirkungsgrad, Ressourcenknappheit oder Auswirkungen auf die Umwelt gegeneinander ab.

Gesundheitsförderung
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Kenntnisse über Sicherheitsaspekte beim Experimentieren, insbesondere über den sicheren Umgang mit elektrischer Energie, optischer Strahlung und Schallwellen, bilden eine wichtige fachliche Grundlage für den verantwortungsvollen Umgang mit technischen Geräten und die Bewertung möglicher Gefahrensituationen im häuslichen Umfeld. Auch Wirkungen ionisierender Strahlung auf den menschlichen Organismus lernen die Schülerinnen und Schüler im Fach Physik sachgerecht einzuschätzen. So können sie z. B. Chancen und Risiken therapeutischer wie diagnostischer Verfahren in der Medizin besser einschätzen.

Medienbildung/Digitale Bildung
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Das Fach Physik unterstützt auf vielfältige Art und Weise die Medienbildung. Die Schülerinnen und Schüler reflektieren Darstellungen fachlicher Daten in Tabellen und Diagrammen, wie sie häufig in Medien zur Veranschaulichung sowie als wissenschaftlicher Beleg eingesetzt werden. Sie lernen für Recherche-, Dokumentations- und Präsentationszwecke fachliche Informationen aus verschiedenen Medien bewusst auszuwählen, sach- und adressatengerecht zu verarbeiten und zu bewerten. Der bewusste Einsatz digitaler Werkzeuge, u. a. zur Durchführung und Auswertung von Experimenten, liefert einen weiteren Beitrag zur Medienbildung.

Sprachliche Bildung
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Sprachliche und semantische Präzision üben die Schülerinnen und Schüler bei der Formulierung von physikalischen Fragestellungen bzw. Hypothesen. Darüber hinaus trägt die gezielte Einführung und fortwährende Einübung der Fachsprache, verbunden mit einer bewussten Unterscheidung von der Alltagssprache, zur Sprachlichen Bildung bei. Die Schülerinnen und Schüler erschließen sich Fachtexte und stellen ihre eigenen Ideen, wie es für die naturwissenschaftliche Erkenntnisgewinnung kennzeichnend ist, sach- und adressatengerecht in mündlicher und schriftlicher Form dar. In fachlichen Diskussionen wird ihre Kritikfähigkeit, ihre Offenheit für neue Argumente sowie die Fähigkeit entwickelt, sich treffend, angemessen und wertschätzend auszudrücken. Das Fach Physik trägt somit dazu bei, dass sich Jugendliche an Diskussionen über gesellschaftlich relevante Themen beteiligen können.

Technische Bildung
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Die Schülerinnen und Schüler sind aufgrund ihrer physikalischen Kenntnisse in der Lage, grundlegende Funktionsweisen technischer Geräte zu erklären. Im Physikunterricht entwickeln sie zudem die Fähigkeit, sich selbständig Funktionsprinzipien moderner Technologie anhand von Fachtexten zu erschließen. Sie bewerten die mit dem technischen Fortschritt verbundenen Chancen und Risiken für den Einzelnen, die Gesellschaft und die Umwelt und nehmen vor dem Hintergrund unterschiedlicher Meinungen in der Gesellschaft, z. B. im Zusammenhang mit dem Klimaschutz, einen eigenen Standpunkt ein. Sie berücksichtigen in Kontexten, in denen das Fach Physik einen Beitrag zur Technischen Bildung leistet, auch ökologische, ökonomische und soziale Aspekte.

Verkehrserziehung
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Im Fach Physik erwerben die Schülerinnen und Schüler physikalische Kenntnisse, die entscheidend dabei helfen, kritische Situationen im Straßenverkehr sachgerecht zu bewerten. Naturgesetze führen ihnen zum einen das Gefahrenpotenzial vor Augen, das von Fahrten mit nicht angepassten Geschwindigkeiten ausgeht, zum anderen wird ihnen die große Bedeutung von Straßenverkehrsregeln sowie von Sicherheitssystemen in Fahrzeugen deutlich. Das Fach Physik fördert somit das gefahrenbewusste und verantwortungsvolle Handeln im Straßenverkehr sowie die Bereitschaft zu Rücksichtnahme und defensivem Verhalten.