Ich freue mich über Anregungen, Ermunterung und Kritik: Johann Schmid

Der Physikunterricht in der Jahrgangsstufe 9 soll das naturwissenschaftliche Grundwissen der Schüler weiter ausbauen und bei ihnen das Bedürfnis nach schärferer Begriffsbildung wecken.
Mit dem Begriff der Energie, der die Gebiete Mechanik und Wärmelehre miteinander verknüpft, lernen die Schüler eine physikalische Größe kennen, unter der sich ihr Wissen über Naturvorgänge ordnen läßt. Sie erhalten so einen Eindruck von der Tragweite allgemeiner Prinzipien in den Erfahrungswissenschaften (6 W).
Mit der Strahlenoptik wird den Schülern ein leistungsfähiges Modell vermittelt, das unter Zuhilfenahme geometrischer Sätze nicht nur viele optische Erscheinungen erklären kann, sondern auch erlaubt, Vorhersagen über den Ablauf optischer Experimente zu machen.

1. Mechanische Energie (ca. 9 Std.)

Die Schüler sollen einen Einblick in die Herkunft der Reibungskräfte und deren Bedeutung in der Umwelt erhalten. Ausgehend von Betrachtungen zur Kraft-Weg-Abhängigkeit bei reibungsfreien Kraftwandlern wird der Alltagsbegriff "Arbeit" zu einer physikalischen Größe präzisiert, die dann auch bei Bewegungen mit Reibung verwendet werden kann. Verschiedene Möglichkeiten, Arbeit zu speichern, führen zum Begriff der Energie. An Beispielen aus ihrer Erfahrungswelt lernen die Schüler die verschiedenen Erscheinungsformen mechanischer Energie kennen; zudem sollen sie sich der großen Bedeutung der Umwandlungen der einzelnen Energieformen ineinander bewußt werden.
 
 
 

Reibung; Reibungskraft	Zusammenhang zwischen Normal- und Reibungskraft; Reibung als erwünschter und unerwünschter Effekt (6 MT, V: Bedeutung der Reibung bei Fahrzeugen, Technik der Bremsen)
"Goldene Regel der Mechanik", mechanische Arbeit;  Energie, Arbeit als Größe zur Messung der übertragenen Energie	Die Beschäftigung mit mechanischen Kraftwandlern führt zum Erkennen des gemeinsamen Prinzips aller reibungsfreien Kraftwandler (6 G); die gegenseitigen Bezüge zwischen Arbeit und Energie werden dabei sichtbar.
mechanische Energieformen; Energieumwandlungen; Energieerhaltung für reibungsfreie mechanische Systeme	Herleitung der Formel für die Höhenenergie; Mitteilung der Formeln für die Spann- und die Bewegungsenergie, Erläuterung dieser Formeln sowie der Umrechnung der Einheiten (6 M9; 6 V: u.a. Bremswege, Aufprallenergie bei verschiedenen Geschwindigkeiten)
Wirkungsgrad; Leistung	Festigung und Vertiefung durch Anwendungsbeispiele (6 MT)

Für Schülerversuche sind besonders folgende Themen geeignet:

• Zusammenhang zwischen Normal- und Reibungskraft,
• Wirkungsgrad einfacher Maschinen

2 Wärmelehre (ca. 22 Std.)
2.1 Ausdehnung bei Erwärmung (ca. 10 Std.)

Die durch subjektives Wärmeempfinden bedingte "Täuschbarkeit der menschlichen Wahrnehmung" verdeutlicht den Schülern die Notwendigkeit reproduzierbarer Temperaturmessungen. Sie erhalten einen Einblick in die Bedeutung des thermischen Ausdehnungsverhaltens von Körpern in Natur und Technik. Der Sonderfall der stoffunabhängigen Gasausdehnung führt zum Verständnis der in der Physik üblichen Festlegung des Nullpunkts der absoluten Temperatur. Die Schüler lernen, wie man aus der Verknüpfung der experimentell gewonnenen Gasgesetze die Zustandsgleichung idealer Gase durch Deduktion gewinnen kann, und sollen den Sinn der Erweiterung des Temperaturbegriffs mit Hilfe idealer Gase erfassen.
 

Temperatur und ihre Messung	Celsiusskala (6 G)
Volumenänderung von festen und flüssigen Körpern bei Temperaturänderung; Anomalie des Wassers	Beschränkung auf qualitative Untersuchungen(6 Ek8; 6 MT: Bedeutung des Ausdehnungsverhaltens in Natur und Technik) Großer Preis der Wärmeausdehnung Entspannendes Ratespiel im Stil vom "Großen Preis"
Volumenänderung von Gasen bei Temperaturänderung; absolute Temperatur und Temperaturskala	Bestimmung des Volumens in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Ausgangsvolumina bei konstantem Druck, möglichst im Schülerversuch
Gesetze von Gay-Lussac sowie von Boyle und Mariotte	induktive Herleitung (6 M: direkte und indirekte Proportionalität)
Zustandsgleichung idealer Gase	deduktive Herleitung (6 M) in der Form:  pV/T = const. Zustandsänderungen eines idealen Gases (Java-Applet von W. Fendt) Es kann überprüft werden: isotherme, isochore und isobare Zustandsänderung. Dabei können sogar Zahlenwerte gesetzt werden Zustandsänderungen eines idealen Gases (Java-Applet von Klaus Wetzstein Es kann überprüft werden: isotherme, isochore und isobare Zustandsänderung. Etwas einfacher, aber genauso instruktiv. Die Änderungen der Zustandsgrößen werden in einem Balkendiagramm veranschaulicht.

Die Gesetze von Gay-Lussac sowie von Boyle und Mariotte werden mit der induktiven, die Zustandsgleichung mit der deduktiven Methode gewonnen. Die Gasgesetze bieten so die Möglichkeit, diese beiden auch für andere Wissenschaften wichtigen Methoden der Erkenntnisgewinnung in der Physik beispielhaft anzuwenden.

2.2 Innere Energie und Energieerhaltung (ca. 12 Std.)

Die Schüler lernen, die durch Reibung verursachte Temperaturerhöhung als ein Maß für die "verschwundene" mechanische Energie zu interpretieren. Sie sollen erkennen, daß durch die Einführung des Begriffs der Inneren Energie der Energieerhaltungssatz über die Mechanik hinaus ausgedehnt werden kann. Die atomistische Deutung der Wärmeerscheinungen dient der Zusammenschau und Ordnung des Wissens (6 DS, W). Die Schüler erwerben Grundlagen zum Verständnis und zur Beurteilung von wärmeenergetischen Fragen der Umwelt (6 B) und lernen in exemplarischer Behandlung die Wärmeenergiemaschinen als Energiewandler kennen. An den zeitaufwendigen Versuchen wird den Schülern bewußt, daß Sorgfalt, Geduld und Ausdauer vielfach benötigte Tugenden sind.
 

Zusammenhang zwischen Energiezufuhr durch Reibungsarbeit und Temperaturerhöhung	Versuche zur Reibungsarbeit, die zeigen:  WR = cm?'
spezifische Wärmekapazität als Materialkonstante	typische Werte, Erläuterung der Bedeutung für das Klima
Innere Energie und Erweiterung des Energieerhaltungssatzes	Deutung der experimentellen Befunde: Die "verschwundene" mechanische Energie hat sich in "innere" Energie verwandelt (6 C9 bzw. C11: Enthalpie)
Wärme als Größe zur Messung der übertragenen Energie	Deutung des Übergangs von Innerer Energie von einem "warmen" Körper auf einen "kalten" als Wärmetransport; Verdeutlichen des Unterschieds von Temperatur und Wärme
Bewegungsenergie der ungeordneten Teilchenbewegung als eine Form der Inneren Energie	Versuche zur Brownschen Bewegung; Beschreibung und Deutung makroskopischer Phänomene mit Hilfe der Modellvorstellung (6 DS)
Änderung des Aggregatzustands und Innere Energie	Diskussion der Phänomene; Beschränkung auf einfache, exemplarische Rechnungen
technische Nutzung Innerer Energie in Energiewandlern	Entwicklung und Bedeutung der Energiewandler; Dampfmaschine, Verbrennungsmotor (6 D9, WR9, G); reversible und irreversible Vorgänge, Energieentwertung; Diskussion von Umweltfragen (6 U) und Zukunftsperspektiven  Java-Applets zu Verbrennungsmotoren 4-Taktmotor

Für Schülerversuche eignen sich besonders:

• Bestimmung spezifischer Wärmekapazitäten von flüssigen und festen Körpern,
• Aufnahme der Zeit-Temperaturkurve bei Änderung des Aggregatzustands und deren energetische Deutung

3 Einführung in die Strahlenoptik (ca. 19 Std.)

3.1 Grunderscheinungen des Lichts (ca. 6 Std.)

Die Schüler lernen eine Vielzahl interessanter Eigenschaften des Lichts kennen. Das Strahlenmodell erlaubt ihnen, die Ergebnisse vieler optischer Experimente vorherzusagen bzw. scheinbar verschiedene Phänomene geschlossen zu deuten. Der Praxisbezug geometrischer Verfahren (6 M) soll ihnen bei der Erklärung der Bildentstehung am ebenen Spiegel deutlich werden.
 
 
 

Lichtquellen; Lichtbündel und Lichtstrahlen	selbstleuchtende bzw. beleuchtete Körper (6 V: "Sehen und Gesehenwerden"); Diskussion von Modellvorstellungen
geradlinige Ausbreitung des Lichts; Lichtgeschwindigkeit	Schatten, Mond- und Sonnenfinsternisse (6 Ek); Aufzeigen des Prinzips von der Umkehrbarkeit des Lichtwegs; Hinweis auf die Bedeutung der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts  Measuring the Speed of Light (Etwas textlastig, aber als einfaches engl.-spr. Zwiegespräch gehalten)
diffuse und gerichtete Reflexion; Reflexionsgesetz; virtuelles Bild	Entdecken der Eigenschaften von Bildern am ebenen Spiegel  Kaffeetassen-Kaustik (Applet zu Lichtreflexionen in einer Tasse)
Brechung von Lichtstrahlen; Totalreflexion	Strahlengang zur Lichtbrechung (Applet von W. Fendt) Applet zur Brechung und Reflexion im Wellenmodell Kürzeste Verbindung zweier Punkte in verschiedenen Medien (Applet zur Lichtbrechung)

3.2 Abbildung durch Sammellinsen; optische Instrumente (ca. 9 Std.)

Über die Abbildung durch Lichtbündel sollen die Schüler die Entstehung der beobachteten reellen und virtuellen Bilder bei Sammellinsen verstehen. Sie lernen optische Instrumente und deren Entwicklung als Beispiele für die Wechselwirkung zwischen Wissenschaft und Technik kennen. Der weite Anwendungsbereich optischer Instrumente verdeutlicht den Schülern, daß die Menschen erst durch diese Hilfsmittel den Zugang zum Mikro- und Makrokosmos erhielten, den ihnen das Auge allein nicht erschließen kann (6 W).
 

Optische Eigenschaften von Sammellinsen	Wiederholung von Grundlagen (vgl. Ph8)
Entstehung reeller und virtueller Bilder	Bildkonstruktionen und Bestätigung im Versuch; Beschränkung auf dünne Linsen und achsennahe Strahlen Strahlenoptik bei dünnen Linsen (Applet) Strahlenoptik mit Linsen und Spiegeln kann hier erschöpfend behandelt werden: Man kann den Gegenstand verschieben, größer machen usw. - und das alles mit der Maus.
Linsengleichungen	geometrische Herleitung (6 M9)
Auge	Bildentstehung im Auge (6 B10; 6 V: Gefahren durch optische Beeinträchtigungen) Hübsche interaktive Animation zum Blinden Fleck
Optische Instrumente	zwei der folgenden Instrumente sollen ausführlich behandelt werden  Photoapparat, Projektionsapparat, Kepler-Fernrohr (6 G), Mikroskop (6 B9)

3.3 Dispersion und Farben von Licht (ca. 4 Std.)

Die physikalische Behandlung der Farben vermittelt den Schülern einen Einblick sowohl in Grundlagen der Farbmischung als auch in moderne technische Verfahren zur Herstellung farbiger Bilder (6 MB).
 

Dispersion von Licht; Spektralfarben;  additive und subtraktive Farbmischung

Hinweis auf Regenbogenfarben; Erzeugung farbiger Bilder (6 Ku); Hinweis auf das Farbensehen als Ergebnis eines physiologischen Prozesses   Überlagerung verschieden farbiger Lichter Color Mixing Eine interaktive Reise durch die Farblehre Eine sehr breitgestreute Seite über Farben: Licht und Farbe, Auge und Gehirn, Farbsysteme, Farbe in der Kunst usw.

Gerade in der Optik sind Schülerversuche motivierend und überzeugend. Für Reflexionsgesetz, Brechung und Totalreflexion eignen sich u.a. "Stecknadelversuche". Ferner bieten sich folgende Themen für Schülerversuche an: Eigenschaften von Sammellinsen, Aufbau und Funktionsweise einfacher optischer Geräte

4 Unterrichtsprojekt (ca. 6 Std.)

Im Rahmen eines Unterrichtsprojekts aus den Bereichen Mechanik, Wärmelehre oder Optik beschäftigen sich die Schüler mit Objekten und Vorgängen aus ihrer Erfahrungswelt. Durch möglichst weitgehende Beteiligung an allen Schritten, die zur Bewältigung der Aufgaben im Projekt notwendig sind, erwerben sie die Fähigkeit zu selbständigem Arbeiten.
Die folgenden Themen haben Vorschlagscharakter. Je nach Themenwahl und Schwerpunktbildung ergeben sich verschiedene fächerübergreifende Bezüge. Damit die Schüler gerne arbeiten, sollen sie bei der Wahl des Themas mitwirken können.
- erwünschte und unerwünschte Reibung an Fahrzeugen
- experimentelle Bestimmung des Wirkungsgrades verschiedener Kocher; Vorschläge zur Verbesserung des Wirkungsgrades
- historische Entwicklung von Energiewandlern, Bau einfacher Modelle
- Bau einer Lochkamera, Herstellung einfacher Photographien; Diskussion von Verbesserungsmöglichkeiten
- optische Wahrnehmung (6 B, G: z.B. Entwicklung des Linsenfernrohrs); Beobachtungen mit selbst gebauten Fernrohren; optische Zeichenhilfen; subjektive Sinneswahrnehmungen und objektive photometrische Größen (6 W)
 

Dieser Beitrag zum ISBL wird in Kooperation mit dem ISB gepflegt und weiterentwickelt. Zuständig sind dort H. Burger und G. Neumann  ISBL wird nie „fertig“ sein, aber es kann mit Ihrer Hilfe immer besser werden!  Alle Details zu ISBL finden Sie hier. Eine Schlagwortsuche auch nach anderen Medien-Angeboten ermöglicht die Datenbank B@sis.