Grundwissen „Physik“ 11. Jahrgangsstufe

 

 

 

1. Kreisbewegung

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• übertragen durch Analogiebetrachtungen Größen zur Beschreibung geradliniger Bewegungen auf die Kreisbewegung. Sie erklären das Zustandekommen von Kreisbewegungen und grenzen die Zentripetalkraft von der Zentrifugalkraft ab.
• formulieren ausgehend von Alltagserfahrungen und physikalischen Vorkenntnissen Hypothesen zur Abhängigkeit der Zentripetalkraft von verschiedenen Größen. Sie leiten mithilfe geometrischer Überlegungen zur Kreisbewegung einen Term für die Berechnung der Zentripetalkraft her. Zur Überprüfung dieses Ausdrucks planen sie selbständig geeignete Experimente, führen sie vorzugsweise unter Zuhilfenahme von elektronischen Sensoren durch und werten die erhaltenen Daten selbständig aus. Sie reflektieren den Erkenntnisweg, insbesondere die Relevanz des Experiments für das Überprüfen von Hypothesen, sowie das grundlegende Funktionsprinzip des verwendeten Sensors und die Genauigkeit der Ergebnisse.
• führen quantitative Betrachtungen zu Kreisbewegungen in Alltag und Technik durch, wobei sie jeweils die Kraft identifizieren, die als Zentripetalkraft wirkt. Auf der Grundlage recherchierter, abgeschätzter und berechneter Werte bewerten sie u. a. kritische Situationen im Straßenverkehr und diskutieren mögliche Sicherheitsvorkehrungen. Sie stellen ihre Ergebnisse in Form einer adressatenbezogenen Stellungnahme dar.
• modellieren mithilfe des Gravitationsgesetzes die Bewegung von Himmelskörpern und Satelliten als Kreisbewegung.

 

2. Schwingungen und Wellen

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• beschreiben und interpretieren Diagramme zu verschiedenen schwingungsfähigen Systemen, u. a. zum Federpendel, anhand ihrer charakteristischen Größen.
• formulieren für die Schwingung eines Fadenpendels Hypothesen über die Abhängigkeit der Schwingungsdauer von anderen Größen. Zur Überprüfung dieser Hypothesen führen sie ein selbständig geplantes Experiment durch und verifizieren insbesondere den näherungsweise quadratischen Zusammenhang zwischen Periodendauer und Pendellänge mithilfe einer graphischen Auswertung. Sie benennen Ursachen für Messunsicherheiten sowie Möglichkeiten der Minimierung dieser Unsicherheiten und quantifizieren die Messunsicherheit einer mehrfach gemessenen Größe unter Verwendung geeigneter statistischer Kenngrößen.
• identifizieren Longitudinal- und Transversalwellen in Alltagsbeispielen. Sie beschreiben die Ausbreitung mechanischer Wellen mithilfe eines geeigneten Modells und nutzen digitale Medien zur Veranschaulichung.
• erkennen Beugung und Interferenz als typische Wellenphänomene. Sie argumentieren zur Erklärung von Alltagsphänomenen und experimentellen Beobachtungen zur Interferenz mechanischer Wellen mit dem Superpositionsprinzip. Insbesondere begründen sie das Zustandekommen von konstruktiver und destruktiver Interferenz bei zwei Wellenzentren mit dem Gangunterschied.
• untersuchen monochromatisches Licht am Doppelspalt, interpretieren das Schirmbild qualitativ mithilfe des Wellenmodells und formulieren einen Zusammenhang zwischen Farbe und Wellenlänge des Lichts.
• vergleichen das Photonen- und das Wellenmodell des Lichts, insbesondere unter dem Aspekt ihrer jeweiligen Anwendbarkeit.

 

3. Eigenverantwortliche Arbeit an physikalischen Themen

 

3.1 Astronomische Weltbilder

Die Schülerinnen und Schüler ...

• reflektieren Auswirkungen bedeutsamer Beobachtungen und physikalischer Theorien auf die Entwicklung des astronomischen Weltbilds in historischen und gesellschaftlichen Zusammenhängen. Hierfür verwenden sie physikalische und historische Kenntnisse, die sie sich selbständig aus verschiedenen Quellen erschließen.
• vergleichen zu ausgewählten Aspekten des modernen astronomischen Weltbildes jeweils die Inhalte einer vorgegebenen Quelle mit Rechercheergebnissen im Internet. Sie bereiten ihre Ergebnisse unter Verwendung geeigneter Darstellungen zu einer adressatengerechten Präsentation auf.

 

3.2 Einblick in die spezielle Relativitätstheorie

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• stellen wesentliche Aussagen der speziellen Relativitätstheorie auch quantitativ dar, indem sie anhand vorgegebener Fachtexte und digitaler Lernumgebungen Gedankenexperimente nachvollziehen und sachgerecht wiedergeben. Dabei identifizieren sie in Schlussfolgerungen aus den Einstein’schen Postulaten eine Struktur physikalischer Argumentationsketten und erkennen die Verifizierung von Vorhersagen einer Theorie als eine Funktion von Experimenten.
• erläutern den begrenzten Gültigkeitsbereich der klassischen Mechanik exemplarisch anhand der veränderten Vorstellung von Raum und Zeit.
• diskutieren u. a. am Beispiel der „Deutschen Physik“, wie sich gesellschaftliche und politische Entwicklungen auf die Wahrnehmung und Akzeptanz physikalischer Erkenntnisse auswirken.

 

3.3 Energieversorgung

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erläutern den Unterschied zwischen reversiblen und irreversiblen Vorgängen anhand eines selbst gewählten Beispiels und verdeutlichen, dass irreversible Vorgänge mit einer Energieentwertung verbunden sind. Sie ziehen daraus qualitative Schlussfolgerungen über Beschränkungen des Wirkungsgrades.
• nehmen zu gesellschaftlich relevanten Fragen der Energieversorgung Stellung. Hierfür nutzen sie naturwissenschaftliche Daten, die sie nach vorgegebener Problemstellung berechnen oder aus unterschiedlichen Quellen selbständig recherchieren, und wägen im Rahmen einer Nutzwertanalyse Kriterien wie Wirkungsgrad, Ressourcenknappheit oder Auswirkungen auf die Umwelt gegeneinander ab. Sie entwickeln, z. B. im Rahmen eines Planspiels, eigene Positionen und begründen diese sachlich gegenüber Diskussionspartnern. Sie sind sich der Bedeutung der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise für die Objektivierung der Energiedebatte bewusst.

 

4. Profilbereich am NTG

 

4.1 Die Methode der kleinen Schritte

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• erklären, dass Bewegungen unter dem Einfluss nichtkonstanter Kräfte näherungsweise beschrieben werden können, indem eine Zerlegung in kurze Zeitabschnitte betrachtet wird, in denen die jeweilige Kraft als konstant angenommen wird.
• führen die Methode der kleinen Schritte unter Zuhilfenahme einer geeigneten Software für verschiedene Bewegungsabläufe selbständig durch. Sie interpretieren die hierbei gewonnenen Zeit‑Weg‑, Zeit‑Geschwindigkeit‑ und Zeit‑Beschleunigung-Diagramme, diskutieren die Güte dieser Methode und vergleichen Ergebnisse einer Simulation mit dem entsprechenden Realexperiment.
• gewinnen Erkenntnisse über das Verhalten eines physikalischen Systems durch Untersuchung der Abhängigkeit der Ergebnisse seiner Simulation von den gewählten Parametern, z. B. Abhängigkeiten der Schwingungsdauer einer Federschwingung.
• erläutern die Relevanz der Methode der kleinen Schritte in unterschiedlichen aktuellen Forschungsgebieten oder im Ingenieurwesen und erkennen dabei die Bedeutung der Physik für andere Wissenschaften.

 

4.2 Photovoltaik in Anwendungen

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• untersuchen experimentell die U‑I‑Kennlinie einer Solarzelle in Abhängigkeit von der Bestrahlungsstärke und ermitteln den Maximum‑Power‑Point. Sie erkennen die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften eines Objekts als eine Funktion physikalischer Experimente.
• erläutern die grundlegende Funktionsweise und die Bedeutung technischer Komponenten in Photovoltaikanlagen.
• bewerten den Nutzen photovoltaischer Anlagen, indem sie eigene experimentelle Ergebnisse sowie Informationen aus Sachtexten, Tabellen und Diagrammen verwenden. Sie führen hierbei Abschätzungen und Berechnungen durch und beziehen außerfachliche Aspekte (z. B. ökologische, ökonomische, gesellschaftliche) ein.

 

4.3 Außerunterrichtliche Aktivität

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• entnehmen einer Diskussion oder einem Vortrag bzw. einer Veröffentlichung wesentliche fachliche Inhalte, Argumentationsmuster und Interessenlagen des Sprechers bzw. Autors.
• reflektieren im Rahmen eines gesellschaftlich kontrovers diskutierten Themas Bewertungen, die sie Veröffentlichungen oder Diskussionen entnehmen, hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses und der Korrektheit verwendeter physikalischer Belege.
• reflektieren die Verantwortung der naturwissenschaftlichen Forschungsgemeinschaft und des einzelnen Naturwissenschaftlers für Gesellschaft und Politik.
• formulieren in Bezug auf ein gesellschaftlich kontrovers diskutiertes Thema eine physikalisch fundierte Stellungnahme zu einer Diskussion, Präsentation oder Veröffentlichung.
• präsentieren fachliche Informationen oder Forschungsergebnisse sach- und adressatengerecht unter Verwendung geeignet gewählter Darstellungsformen und Medien.
• extrahieren z. B. aus Ausstellungen, Veröffentlichungen oder Vorträgen unterschiedliche Wege naturwissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung und stellen Vergleiche an.
• führen einen Prozess der physikalischen Erkenntnisgewinnung an einem Beispiel selbst durch und interpretieren die Relevanz ihrer Ergebnisse z. B. für ihren Alltag oder die Wissenschaft.

 

4.4 Vertiefung prozessbezogener Kompetenzen anhand ausgewählter weiterer Inhalte

 

Die Schülerinnen und Schüler ...

• führen selbständig hypothesengeleitet experimentelle Untersuchungen zu Alltagssituationen durch. Bei der Messwerterfassung, zur Auswertung und zur Darstellung ihrer Ergebnisse verwenden sie zielgerichtet auch digitale Werkzeuge. Sie ziehen Schlussfolgerungen aus den Resultaten ihrer Untersuchungen.
• vertiefen physikalische Modellvorstellungen unter Einbeziehung moderner Forschungsergebnisse. Sie nutzen Modellierungen insbesondere in technischen Kontexten und reflektieren sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Gültigkeitsgrenzen dieser Modelle.
• erörtern Gesundheitsrisiken und Sicherheitsfragen in Alltagskontexten sowie bei der Nutzung digitaler Technologien (z. B. digitale Kommunikation) und entwickeln auf Grundlage ihrer physikalischen Kenntnisse und außerphysikalischer Gesichtspunkte Handlungsoptionen für ihre eigene Lebensgestaltung.