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Home » Lehrplan (Pflicht-/Wahlpflichtfächer) » III Jahrgangsstufen-Lehrplan » Jahrgangsstufe 8 » Physik
8 Physik (2, NTG 2 + Profil)

Energieerhaltung – ein fundamentales Naturprinzip

Im Fach Natur und Technik haben die Schüler bereits Erfahrungen mit typi­schen physikali­schen Ar­beits­weisen gesammelt, die vorwiegend auf zielgerichtetem Experimen­tieren beruhen. Diese Fertigkeiten werden in der Jahr­gangs­stufe 8 ausgebaut und durch Methoden naturwissenschaftlicher Erkennt­nisgewinnung er­gänzt, die zuneh­mend auf der Fähigkeit zu logischer Argumentation aufbauen.

Mit der Energieerhaltung lernen die Jugendlichen eines der wichtigsten physikalischen Grundprinzipien kennen, das sich auf sämtliche Teilbereiche der Physik erstreckt und alle Naturwissenschaften miteinander verbindet. Durch intensive Beschäftigung mit dem Teilchenmodell der Materie können sie viele Phänomene aus der Wärmelehre erklären und qualitative Vorhersagen machen.

Geeignet ausgewählte Vertiefungen aus der Natur oder der Technik helfen den Schülern, eine Beziehung zwischen physikalischen Erkenntnissen und ihrer eigenen Lebenswelt herzustellen und so die Relevanz des Erlernten zu erkennen. Dabei vernetzen die Jugendlichen ihre Kenntnisse und üben die typischen Fachmethoden ein. In regelmäßigen Schülerexperimenten erlernen sie selbständig physikalische Arbeitsmethoden und erweitern ihre persönlichen Kompetenzen in der Zusammenarbeit im Team, im Umgang mit Information [D 8.4] und bei der Präsentation geeigneter Ergebnisse [ D 7.1, D 8.1]. Dies erreichen sie insbesondere auch im Rahmen eines etwa fünfstündigen Unterrichtsprojekts, in welchem sie sich neben anderen Kompetenzen auch das Wissen aus einem der angegebenen Themenbereiche selbst aneignen. 

Die Schüler des Naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums haben im Profilbereich die Möglichkeit, sich intensiv mit weitergehenden Inhalten aus der Vorschlagsliste in Ph 8.4 zu beschäftigen und ihre Kenntnisse und Fertigkeiten auszubauen.

In der Jahrgangsstufe 8 erwerben die Schüler folgendes Grundwissen:
  • Sie kennen das Erhal­tungsprinzip als Grundidee des Energiekonzepts und können damit einfache Probleme auch quantitativ lösen.

  • Sie wissen, dass es verschiedene, ineinander umwandelbare Energiearten gibt und dass Arbeit und Wärme For­men übertragener Energie sind.

  • Sie können den Aufbau der Materie und die Änderung von Aggregatzuständen im Teil­chenmodell erklären.

  • Sie wissen, dass die Temperatur ein Maß für die mittlere kinetische Energie der Materiebausteine ist und dass Tem­peratur- und Aggregatzustandsänderungen mit Änderungen der inneren Ener­gie verbunden sind.

  • Sie können natürliche Phänomene und technische Abläufe, die zum Themenbereich Wärmelehre gehören, selbstän­dig unter­suchen und zugehörige Erklärungen finden.

  • Sie können die Größen Spannung, Stromstärke, Widerstand und elektrische Energie auf einfache Beispiele aus der Technik anwenden.

  • Sie haben einen Überblick über Energieversorgungssysteme und deren Auswirkung auf die Umwelt.

Ph 8.1 Die Energie als Erhaltungsgröße (ca. 20 Std.)

Anhand lebensnaher Beispiele erkennen die Schüler die Bedeutung der Energie als Größe, für die das Erhaltungsprinzip gilt.

Ausgehend von qualitativen Beschreibungen mechanischer Energieumwandlungen wird ihnen über die Goldene Regel der Mechanik die Formel für die Höhenenergie plausibel und sie begreifen, wie sich mit dieser und dem Erhaltungsprinzip auch die kinetische Energie mathematisch fassen lässt. An einfachen Beispielen lernen die Jugendlichen dann, wie sie mithilfe der Energieerhaltung physikalische Problemstellungen auch quantitativ lösen können.
Die Arbeit lernen sie als Maß für die einem System zu- oder abgeführte Energie kennen.

Ph 8.2 Aufbau der Materie und Wärmelehre (ca. 18 Std.)

Bereits in Jahrgangsstufe 5 haben sich die Schüler im Fach Natur und Technik einfache Aussagen des Teil­chen­modells erarbeitet. Dieses Modell wird jetzt für eine genauere Vorstellung vom Auf­bau der Mate­rie in verschiede­nen Aggregatzuständen und zur Deutung der inneren Energie genutzt. Bei Berechnungen im Zusammenhang mit Änderungen der inneren Energie beschränken sich die Schüler auf elementare Beispiele.

  • Aufbau der Materie
    • Beschreiben der Aggregatzustände im Teilchenmodell [→ CNTG 8.1]
    • Temperatur als Maß für die mittlere kinetische Energie der Teilchen, Definition des absoluten Temperaturnullpunkts
    • Beschreibung von Schmelzen, Sieden und Verdunsten im Teilchenmodell 
  • innere Energie
    • innere Energie als Summe von potentieller und kinetischer Energie der Teilchen
    • Änderung der inneren Energie durch Arbeit oder Wärme
    • Zusammenhang zwischen Temperaturänderung bzw. Änderung des Aggregatzustands und Änderung der inneren Energie nur anhand einfacher Beispiele
  • Volumenänderung
    • qualitative Betrachtungen zum Verhalten von Gasen, Flüssigkeiten und festen Körpern bei Temperaturänderung
    • Anomalie des Wassers

Ph 8.3 Elektrische Energie (ca. 18 Std.)

Bei der Formulierung des Ohm’schen Gesetzes und dessen Anwendung in einfachen Schaltungen greifen die Schüler ihre in Jahrgangsstufe 7 erworbenen Kenntnisse auf und festigen diese. Dabei erkennen sie, wie hilfreich die aus der Mathematik bekannte Proportionalität [→ M 8.1.1] sein kann. Bei der Umwandlung elektrischer Energie in andere Energiearten lernen sie, auch elektrische Größen in das gesamte Energiekonzept einzubetten.

Das Thema Energieversorgung erlaubt eine Zusammenschau der unter­schiedlichen Facetten des Begriffs Energie. Hierbei wird den Jugendlichen auch bewusst, wie notwendig die Klärung von Energiefragen für ihre eigene Zukunft ist [→ K 8.1, Ev 8.1, Et 8.4].

  • Widerstände in einfachen Stromkreisen
    • Ohm’sches Gesetz
    • Serien- und Parallelschaltung
  • elektrische Energie und Leistung
    • Zusammenhang zwischen Stromstärke und Ladung, Elementarladung
    • Umwandlung von elektrischer Energie in andere Energiearten
    • Zusammenhang zwischen elektrischer Leistung, Spannung und Stromstärke
  • Einblick in die Energieversorgung
    • Ressourcen und verantwortungsbewusster Umgang mit Energie
    • Umweltfragen und Zukunftsperspektiven

Ph 8.4 Profilbereich am NTG

Im Profilbereich vertiefen die Schüler des Naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums anhand von Themen aus der unten aufgeführten Vorschlagsliste die in Ph 8.1 bis Ph 8.3 beschriebenen Inhalte. Die Auswahl der Themen orientiert sich an den Interessen der Schüler und bietet damit viele Anknüpfungspunkte an persönliche Erfahrungen. Ihre Kreativität wird bei vielfältigen experimentellen Untersuchungen gefordert; dabei wird ihnen die große Bedeutung des Experiments als Methode der Erkenntnisgewinnung bewusst. An unterschiedlichen Beispielen erfahren die Schüler die für die Technik charakteristische problemorientierte Vorgehensweise und können diese in einfacher Weise nachvollziehen.

Schülerzentrierte Unterrichtsformen, wie z. B. arbeitsteiliger Gruppenunterricht, Schülerexperimente oder Projektun­terricht, ermöglichen den Jugendlichen in hohem Maß, selbständig und selbstverantwortlich zu arbeiten. Das fördert nicht nur die Weiterentwicklung ihrer naturwissenschaftlichen Kompetenzen, sondern auch allge­meine Arbeitstechniken wie den Umgang mit Information, die Zusammenarbeit im Team und das Präsentieren der gewonnenen Ergebnisse.

Die angegebenen Inhalte sind als Anregungen zu verstehen.

Energietechnik

  • Solartechnik

    Bau und Untersuchung von Sonnenkollektoren, Experimente mit Solarzellen, Bestimmung der Solar­konstante, Typen von Solarkraftwerken

  • Kraftmaschinen

    Spezialflaschenzüge, Kettenschaltung, Getriebe, historische Maschinen, Physik des Fahrrads

  • Kraftwerke
    Aufbau und Modelle von verschiedenen Kraftwerkstypen, Turbinen, Energie- und Umwelt­prob­lematik

  • Energiespeicher
    Aufbau und Funktionsweise von Batteri­en [ CNTG 8.3, CNTG 8.4], Kennlinie und Innenwiderstand von Batterien, Technolo­gie moderner Batterien und Akkumulatoren, Wasserstofftechnik

Druck

  • Druck in Gasen 

    Aufnahme meteorologischer Daten [ Geo 8.5], Eigenschaften der Atmosphäre, Treib­haus­­effekt

  • Druck in Flüssigkeiten
    Auftrieb, Blutdruck, Tauchen, Schwimm­blase bei Fischen, Hydraulik, U-Boot

Messtechnik

  • Bau und Anwendung einfacher Messgeräte

    Leitfähigkeitsmessgerät [ CNTG 8.4], Photometer, Temperaturmessgeräte, Wärmemessung mit Peltier­elementen

Physik und Technik in der Gesellschaft

  • Physik und Sport [ S 8.1, S 8.2]
    Untersuchung von Bewegungsvorgängen, Sportgeräte, Biomechanik, Energieumsetzung im Körper [ S 8.1.1, CNTG 8.1]
  • historische Entwicklung der Physik und der Technik [ G 8.4]

    Entwicklung des Energiebegriffs, Elektrifizierung, technische Erfindungen

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