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

Die Physik im Grundkurs der Jahrgangsstufen 12 und 13 bringt zum einen ein Abrunden und Vertiefen von Themen, die in der Mittelstufe nur qualitativ behandelt werden konnten; zum anderen können hier wegen der fortgeschrittenen Fähigkeiten der Schüler auch fachlich anspruchsvolle Themen behandelt werden. Physikalische Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts (6 W) werden aufgegriffen, wodurch die Grundlage für eine breite und moderne naturwissenschaftliche Allgemeinbildung geschaffen wird.

Analogiebetrachtungen und Modellvorstellungen spielen eine bedeutende Rolle; sie dienen den Schülern zur besseren Einordnung und Verankerung ihres Wissens oder zur vereinfachenden Darstellung neuer Sachverhalte. Die Schüler lernen aber auch, historisch nachzuvollziehen, wie Analogiebetrachtungen zu neuen Erkenntnissen in der Physik geführt haben. Darüber hinaus fordern und fördern Analogiebetrachtungen und die Diskussion von Modellvorstellungen in besonderem Maße die sprachliche Ausdrucksfähigkeit der Schüler (6 DS). Versuche führen zur Weiterentwicklung von Modellvorstellungen (6 W) und lassen die Schüler die historische Entwicklung (6 G) miterleben. Die Schüler erkennen, wie nützlich Modelle für das Verständnis schwieriger Sachverhalte sind.
Wo immer sich die Gelegenheit bietet, sollen die Schüler bei der Durchführung von Experimenten beteiligt werden.

Jahrgangsstufe 12

1 Statische elektrische und magnetische Felder (ca. 28 Std.)

Durch Experimente lernen die Schüler elektrische und magnetische Felder als Kraftfelder kennen, deren Strukturen durch Feldlinien anschaulich beschrieben werden können. Ausgehend von der Kraftwirkung auf Probekörper verstehen sie die Einführung von Größen, die die Stärke der Felder kennzeichnen. Dadurch sollen die Schüler befähigt werden, die Bewegung geladener Teilchen in homogenen Feldern mathematisch (6 M) zu beschreiben. Beim Nachvollziehen des historischen Versuchs von Millikan (6 G) wird ihnen bewußt, daß Ladungen nur als ganzzahlige Vielfache einer Elementarladung auftreten können. Die erreichbare Geschwindigkeit geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern wird unter Hinweis auf die Ergebnisse der speziellen Relativitätstheorie diskutiert.
 

Grundbegriffe aus der Elektrizitätslehre: Stromstärke, Spannung, Ladung, Widerstand, elektrische Energie und elektrische Leistung	Wiederholung und Vertiefung der Begriffe; Hinweis auf die Ladungsmessung  Ph-Links für die 10.Klasse Seiten von E-Online Guter Überblick in 'Elektrotechnischer Physik', 'Stromkreisgesetze', 'Elektrotechnische Chemie', 'Wechselstromgesetze', 'Halbleitertechnik', 'Signal- und Energiequellen'
Elektrisches Feld: Kräfte zwischen geladenen Körpern, Coulomb-Gesetz; radialsymmetrisches und homogenes elektrisches Feld, Feldlinien	Wiederholung des Feldbegriffs; Mitteilung des Coulomb-Gesetzes, Vergleich mit dem Gravitationsgesetz; Aufnahme von Feldlinien, Erfassung der Felder nur qualitativ
elektrische Feldstärke	Versuch zu F/Q = const., Definition der elektrischen Feldstärke ; Analogiebetrachtung zu g = Fg/m als Gravitationsfeldstärke  Einfacher Überblick über das E-Feld
Ladungen als Quellen und Senken des elektrischen Feldes; Energie eines geladenen Teilchens im homogenen elektrischen Feld	Analogiebetrachtung: Lageenergie eines Körpers im homogenen Gravitationsfeld.
Kapazität eines Kondensators; Zusammenhang von elektrischer Feldstärke und Spannung eines Plattenkondensators	Versuch zu C = Q/U und $$C = εoA/d  Überblick über Kondensatoren
Quantelung der Ladung, Elementarladung, Ladung als Erhaltungsgröße	Millikan-Versuch; Beschränkung auf den Schwebefall, Diskussion der dabei auftretenden Probleme
Bewegung geladener Teilchen in homogenen elektrischen Feldern	Analogiebetrachtung zu Wurfbewegungen (vgl. Ph11);    Beschränkung auf und  Simulation eines Oszilloskops (Applet) Bewegung im E-Feld (Applet auch für B-Feld einsetzbar)
magnetisches Feld: Feldlinien, magnetische Flußdichte;  Lorentzkraft, Hall-Effekt	Versuch zu F/(Il) = const., Definition der Flußdichte ; Zurückführen von F auf die Lorentzkraft; Erörterung des allgemeinen Zusammenhangs zwischen Strom-, Feld-, und Kraftrichtung (keine Behandlung des Vektorprodukts); Hinweis auf technische Anwendungen (Hall-Sonden)  Zur Wiederholung: Ph-Links für die 10.Klasse
magnetische Flußdichte im Innern einer langgestreckten Spule; Quellenfreiheit des Magnetfeldes	Versuch zu B = ìoIN/l; Amperedefinition; Vergleich von elektrischem und magnetischem Feld
Bewegung geladener Teilchen in homogenen Magnetfeldern;  spezifische Ladung des Elektrons; Prinzip des Zyklotrons	Demonstration und Begründung der Entstehung einer Kreisbewegung; Auswertung des Fadenstrahlrohr-Experiments; Ausblick auf die technische Anwendung beim Massenspektrographen  Bewegung im B-Feld (Applet, E- und B-Feld kombinierbar)
relativistische Massenänderung;  Gesamtenergie und kinetische Energie relativistischer Teilchen	Hinweis auf die Lichtgeschwindigkeit als Grenzgeschwindigkeit und Besprechung des Experiments von Bucherer; Mitteilung und Diskussion der Gleichungen:   E = mc2 und Ekin = (m - mo)c2;  Hinweis auf das Synchrotron sowie die Bedeutung von Kollisionsexperimenten

 

2 Zeitlich veränderliche elektrische und magnetische Felder (ca. 14 Std.)
 

Bei der Behandlung des Induktionsgesetzes sollen die Schüler beispielhaft erkennen, wie das Zusammenwirken von Experiment und Theorie zu neuen Erkenntnissen führt (6 W). Das Induktionsgesetz wird aus Induktionsversuchen mit zeitlich konstanten Magnetfeldern und aus weiteren, den Schülern bereits bekannten Gesetzmäßigkeiten in einer vorläufigen Form gewonnen (6 DS). Aus der Analyse des Gesetzes ergibt sich die Vermutung, daß Induktionsspannungen auch bei veränderlichem Magnetfeld zu erwarten sind. Die Bestätigung durch Experimente gibt Anlaß zu einer allgemeineren Formulierung des Induktionsgesetzes. Die Schüler erleben das Phänomen der Selbstinduktion anhand von Ein- und Ausschaltvorgängen. Sie gewinnen die Einsicht, daß Kondensator und Spule mit ihren Feldern Energiespeicher darstellen, und werden befähigt, diese Energien quantitativ zu beschreiben.

 
 

Induktionsphänomene, Induktionsgesetz; magnetischer Fluß	Der übergeordnete Gesichtspunkt der zeitlichen Flußänderung erlaubt eine einfache mathematische Formulierung (6 M12). Experimente, z.B. mit dem Dreiecksgenerator; technische Anwendungen (6 MT)
Erzeugung sinusförmiger Wechselspannungen; Effektivwerte	Herleitung von U = Uo sinωt aus dem Induktionsgesetz; Bestätigung am Oszilloskop
Selbstinduktion; Induktivität	Demonstration und Deutung der Selbstinduktion bei Ein- und Ausschaltvorgängen; quantitative Erfassung mit Hilfe des Induktionsgesetzes; Besprechung technischer Anwendungen (6 MT, V: z.B. Zündspule)
Elektrische Energie des Kondensatorfeldes; magnetische Energie des Spulenfeldes	elektrische Energie als Arbeit, die aufzubringen ist, um den Kondensator aufzuladen; magnetische Energie des Spulenfeldes erarbeitet durch Analogieschluß

 
Bei der Erarbeitung des Induktionsgesetzes sowie bei der Herleitung der Effektivwerte von Spannung und Stromstärke kann ein rechnerunterstütztes Meßwerterfassungssystem wertvolle Hilfestellungen geben.

 
3 Schwingungen und Wellen (ca. 30 Std.)

3.1 Elektromagnetische Schwingungen (ca. 12 Std.)

Die Schüler erkennen im Experiment die Schwingung im elektromagnetischen Schwingkreis und die Analogie zum mechanischen Oszillator. Als Hilfsmittel zur Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen lernen die Schüler das Rückkopplungsprinzip kennen, das sich auch auf nicht-elektrische Systeme übertragen läßt. Sie beobachten das Phänomen der Resonanz bei erzwungenen Schwingungen und sollen die Vorgänge qualitativ beschreiben können (6 DS).

 
 

elektromagnetischer Schwingkreis;  Thomson-Gleichung	Entladung eines Kondensators über eine Spule; vergleichende Betrachtungen am mechanischen Pendel; Mitteilung der Thomson-Gleichung und Bestätigung im Experiment (6 MT, V: Verwendung von Induktionsschleifen zur Verkehrszählung und -leitung)
Erzeugung ungedämpfter elektromagnetischer Schwingungen	Ausblick auf die Bedeutung der Rückkopplung auch bei nicht-elektrischen Regelkreisen (6 B: z.B. Körpertemperatur, Pupillenreaktion; 6 WR: z.B. Käuferverhalten)
erzwungene Schwingungen; Resonanz	Aufnahme einer Resonanzkurve; Diskussion des Amplituden- und Phasenverhaltens (qualitativ); Betrachtung von mechanischer (6 Mu) und elektrischer Schwingung im Vergleich

 

3.2 Elektromagnetische Wellen (ca. 18 Std.)

Der Übergang vom geschlossenen zum offenen Schwingkreis macht den Schülern deutlich, daß von einem schwingenden Dipol elektromagnetische Wellen abgestrahlt werden; damit wächst ihr Verständnis für die Grundlagen der Rundfunktechnik (6 MT). Versuche mit Mikrowellen, mechanischen Wellen und Licht führen zur Erkenntnis, daß ihre Ausbreitung jeweils durch das Wellenmodell beschreibbar ist. Die Schüler lernen, daß auch das Licht eine elektromagnetische Welle ist.
 
 

elektrische Dipolschwingungen	experimenteller Nachweis der Stromstärke- und Ladungsverteilung im induktiv angeregten Stabdipol, Betrachtung der Momentbilder im zeitlichen Abstand T/4;  Grundschwingung des λ/2-Dipols als stehende Welle; Oberschwingungen
Dipolstrahlung; Wellencharakter der Dipolstrahlung, Ausbreitungsgeschwindigkeit c	experimentelle Untersuchung der Wellenausbreitung, Nachweis von stehenden Wellen vor einer reflektierenden Wand;  vergleichende Betrachtungen an stehenden Seil- oder Schallwellen
Sendung, Übertragung und Empfang elektromagnetischer Wellen	Betrachtung modulierter Schwingungen am Oszilloskop; Beschränkung auf Grundlagen (6 BO, ME, MT: Auswirkungen moderner Technologien)
Beugung und Zweistrahlinterferenz mit Mikrowellen und Licht; Interferenz am optischen Gitter	Veranschaulichung der Vorgänge durch Versuche mit der Wellenwanne
Messung der Lichtwellenlänge, optische Spektroskopie; elektromagnetisches Spektrum	Demonstration der Existenz von elektromagnetischer Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs (6 B: Empfindlichkeitsbereich des Auges); Demonstration und Vergleich charakteristischer Spektren (6 C)

 
Die Versuche mit Mikrowellen, mechanischen Wellen (u.a. Wellenwanne) und Licht sollen möglichst so durchgeführt werden, daß die Schüler die Gleichartigkeit der Phänomene erkennen.

4 Lichtquanten (ca. 12 Std.)
 

Die Schüler erkennen, daß der Photoeffekt mit dem Wellenmodell nicht erklärt werden kann; erst die Annahme einer Quantenstruktur des Lichts erlaubt seine Deutung. Am Beispiel des Photoeffekts erleben die Schüler die Tragweite und die Grenzen von Modellvorstellungen (6 W).

 

lichtelektrischer Effekt	Durchführung von Versuchen; Hinweis auf die Widersprüche zur Wellentheorie des Lichts
Zusammenhang zwischen Lichtfrequenz und kinetischer Energie der Photoelektronen; Austrittsarbeit, Grenzfrequenz;  Plancksches Wirkungsquantum h	quantitative Auswertung des zugehörigen Experiments (z.B. Gegenfeldmethode); Interpretation des Ergebnisses (Einstein-Gleichung); h als Naturkonstante
Photon	Einführung des Photons als "Teilchen" mit Ruhemasse null, Energie hf und Impuls h/ë; Auseinandersetzung mit dem Wellen- und dem Teilchenmodell (6 G: Kopenhagener Deutung, Komplementarität; 6 W)

 

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Multimedia-Physik/Elektro-Magnetismus von Peter Krahmer - ein Klassiker!

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