Lehrplan PLUS

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.
• schließen anhand experimenteller Daten auf den quantitativen Zusammenhang zwischen Impuls und Wellenlänge des Quantenobjekts Elektron.
• 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.
• 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.
• 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.

Inhalte zu den Kompetenzen:

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

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. Anhand einer Betrachtung von Wellenpaketen machen sie die Heisenberg’sche Unbestimmtheitsrelation plausibel und identifizieren Ort und Impuls als komplementäre Größen.
• 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.
• erläutern unter Verwendung von Zeigerdiagrammen die Änderung der Ergebnisse von Interferenzexperimenten durch Löschen einer bereits vorhandenen Weginformation am Beispiel Quantenradierer.
• 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.
• erläutern an ausgewählten Beispielen den Übergang von der quantenphysikalischen zur klassischen Beschreibung von makroskopischen Objekten und bewerten die Übertragbarkeit quantenphysikalischer Betrachtungen auf Alltagssituationen.
• prüfen fachliche und außerfachliche Texte mit quantenphysikalischen Bezügen hinsichtlich Fachsprache und Korrektheit und bewerten sie bezüglich ihrer Vertrauenswürdigkeit und der Intention des Autors.

Inhalte zu den Kompetenzen:

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

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.
• 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. Sie übertragen ihre Betrachtungen auf wasserstoffähnliche Systeme und untersuchen dabei die Grenzen der verwendeten Modellierung.
• 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.
• 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: stationäre Schrödinger-Gleichung, 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 und wasserstoffähnliche Systeme
• Experimentelles Arbeiten: Aufbau eines Spektrometers
• Pauli‑Prinzip, Energieniveauschema der Atomhülle; Emission und Absorption von Licht atomarer Gase; charakteristisches Röntgenspektrum, Moseley‑Gesetz
• Energieübertrag durch Stoßanregung, Franck‑Hertz-Versuch

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.
• 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.
• 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
• Strukturuntersuchung mit Röntgenstrahlung: Interferenz, Fluoreszenz, Röntgenspektralanalyse; Synchrotronstrahlung

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.
• 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.
• 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.
• entnehmen digitalen Nuklidkarten Eigenschaften von Nukliden und Zerfallsreihen.
• reflektieren die Relevanz von Erhaltungssätzen und des Standardmodells für die Erkenntnisgewinnung in der Kern‑ und Elementarteilchenphysik.

Inhalte zu den Kompetenzen:

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

Kompetenzerwartungen

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern ausgehend von der ionisierenden Wirkung der α‑, β‑ und γ‑Strahlung die grundsätzliche Funktionsweise eines Geiger‑Müller-Zählers.
• 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.
• 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, mittlere Lebensdauer
• Anwendung des radioaktiven Zerfalls zur Altersbestimmung, unter anderem am Beispiel der C14‑Methode
• Experimentelles Arbeiten: Radioaktivität im Alltag; 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

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.
• 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.
• bestimmen anhand experimentell gewonnener Daten an der Elektronenbeugungsröhre einen Näherungswert für das Planck’sche Wirkungsquantum. Dessen Unsicherheit berechnen sie aus den Unsicherheiten der Eingangsgrößen.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.

Inhalte zu den Kompetenzen:

• Polarisationsversuche mit Licht
• Informationsübertragung mit Licht
• Elektronenbeugung
• Bestimmung des Planck’schen Wirkungsquantums mit der Gegenfeldmethode
• Aufbau eines Spektrometers
• Absorption und Reichweite von β‑ oder γ‑Strahlung
• Radioaktivität im Alltag