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10 Physik (2, NTG 2 + Profil)

Physikalische Weltbilder

Bei Jugendlichen dieser Altersstufe entwickelt sich zunehmend Interesse an philosophischen und weltanschaulichen Themen. Damit verbunden sind auch Fragen nach dem Aufbau und den Gesetzmäßigkeiten des Mikro- und Makrokosmos. Die Schüler der Jahrgangsstufe 10 erfahren, wie sich das Bild von der Natur aus den Vorstellungen in der Antike über das auf wenigen Prinzipien aufbauende System Newtons bis hin zur Quantenphysik entwickelt hat. Hierbei erkennen sie, dass zunehmend verfeinerte Untersuchungsmethoden zu Ergebnissen führen können, die mit den jeweils geltenden Vorstellungen und Theorien nicht in Einklang zu bringen sind und deshalb die Entwicklung neuer umfassenderer Modellvorstellungen erzwingen.

Die Schüler verstehen, dass physikalische Erkenntnisse nicht nur einen fundamentalen Wandel des Weltbilds bewirken, sondern auch durch ihre Auswirkungen auf Gesellschaft und Technik die Lebensbedingungen des Menschen mitbestimmen können. Sie erkennen dabei die ethische und gesellschaftliche Dimension der physikalischen Forschung und lernen, diese differenziert zu betrachten.

Anhand ausgewählter Vertiefungen können die Jugendlichen die Fachinhalte festigen und Fachmethoden weiterentwickeln. Im Rahmen von Referaten und einem etwa fünfstündigen Unterrichtsprojekt eignen sich die Schüler neben anderen Kompetenzen das Wissen aus einem der angegebenen Themenbereiche selbst an. Dabei erweitern sie ihre Fähigkeiten, Probleme allein oder im Team eigenverantwortlich zu behandeln und dabei auch wissenschaftliche Arbeitsmethoden zu benutzen.

Die Schüler des Naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums haben im Profilbereich die Möglichkeit, sich mit weitergehenden Inhalten aus der Vorschlagsliste in Ph 10.4 vertraut zu machen und vertiefen damit ihre Kenntnisse und Fertigkeiten.

In der Jahrgangsstufe 10 erwerben die Schüler folgendes Grundwissen:
  • Sie kennen wichtige Entwicklungsstufen des astronomischen Weltbilds.

  • Sie können für verschiedene Bewegungsvorgänge die wirkenden Kräfte angeben, um damit die zuge­hörige Be­wegungsgleichung aufzustellen und numerisch zu lösen.

  • Sie kennen mathematische Beschreibungen für idealisierte Bewegungen und können sie auf Beispiele aus ihrer Erfahrungswelt übertragen.

  • Sie kennen grundlegende Begriffe und Phänomene im Zusammenhang mit Wellen.

  • Sie kennen grundlegende Aussagen der Quantenphysik und deren Auswirkungen auf das physikalische Welt­bild.

  • Sie kennen Denk- und Arbeitsweisen der klassischen und modernen Physik und sind sich des Modell­charakters physikali­scher Aussagen und derer Grenzen bewusst.

  • Sie können ein physikalisches Thema unter Berücksichtigung wissenschaftlicher Arbeitsmethoden (Experimentieren, Umgang mit Informationen, Präsentieren) selbständig behandeln.

Ph 10.1 Astronomische Weltbilder (ca. 8 Std.)

Die Schüler gewinnen einen Einblick in wesentliche Entwicklungsstationen der Vorstellungen vom Aufbau unseres Planetensystems. Sie lernen auch historische Ansätze kennen, die sich später als korrekturbedürftig erwiesen haben, und solche, die sich zwar zunächst nicht durchsetzen konnten, die aber unserer heutigen Vorstellung weitgehend entsprechen. Sie erfahren, dass Erkenntnisse der Physik zur Weiterentwicklung des astronomischen Weltbilds und schließlich zum modernen kosmologischen Weltbild geführt haben.

Ph 10.2 Die Mechanik Newtons (ca. 32 Std.)

Die Grundlagen der Mechanik Newtons ha­ben sich die Schüler bereits in den vorherigen Jahrgangsstufen erarbeitet, als sie sich im Rahmen der Kinematik und der Dynamik mit der Beschreibung und Deutung von Bewe­gungsab­läufen beschäftigt haben. Sie erkennen nun den großen Fortschritt der kausal erklärenden Theorie Newtons gegenüber dem Vorgehen durch Galilei und Kepler, die für bestimmte Bewegungs­abläufe zwar exakte Beschreibun­gen, aber keine verbindende Theorie angeben konnten.

Die Jugendlichen lernen, wie sie eine Vielfalt von Bewegungen theoretisch und experimentell untersuchen können. Hierzu werden die Einflüsse auf einen Körper analysiert und die auf ihn wirkende Gesamtkraft sowie die Anfangsbedingungen formuliert. Sie erkennen, dass die aus der Gesamtkraft und dem 2. Newton’schen Gesetz sich ergebende Bewegungsgleichung gelöst werden muss, um Vorhersagen für die Bewegung zu ermöglichen. Die Schüler haben in der Jahrgangsstufe 9 für den Sonderfall der konstanten Kraft eine analytische Lösungsmethode kennengelernt. Nun werden sie mit einer einfachen numerischen Methode vertraut gemacht, die auch Lösungen für realistischere Bewegungsabläufe liefert. In erster Linie bestimmen sie die wirkenden Kräfte, interpretieren aus physikalischer Sicht kritisch die sich z. B. aus Simulationen ergebenden Ergebnisse und vergleichen diese mit entsprechenden experimentellen Daten. Bei der Anwendung des Impulserhaltungssatzes beschränken sie sich auf eindimensionale Probleme.

Ph 10.3 Wellenlehre und Einblick in die Quantenphysik (ca. 16 Std.)

Die Schüler erarbeiten sich grundlegende Kenntnisse über Wellen und deren Ausbreitung. Experimente verdeut­li­chen den Wellen- und Teilchencharakter von Licht sowie von Masseteilchen und führen zu einer neuen Physik – der Quantenphysik. Die Jugendlichen gewinnen einen Einblick in grundlegende Inhalte und Denkweisen dieser Theorie. Dabei wird ihnen be­wusst, dass ihre bisherige, von der klas­sischen Mechanik bestimmte Anschauung in manchen Fällen versagt und dass die Quantenphysik zwangsläufig zu einem funda­men­tal anderen phy­sika­lischen Weltbild führt.

Ph 10.4 Profilbereich am NTG

Im Profilbereich vertiefen die Schüler des Naturwissenschaftlich-technologischen Gymnasiums anhand von Themen aus der unten aufgeführten Vorschlagsliste die in Ph 10.1 bis Ph 10.3 beschriebenen Inhalte. Die Auswahl der Themen orientiert sich an den Interessen der Schüler und bietet damit viele Anknüpfungspunkte an persönliche Erfahrungen. Die Jugendlichen verwenden aufwändigere experimentelle und mathematische Verfahren und erreichen damit auch ein höheres Abstraktionsniveau. An Beispielen aus der modernen Technologie wenden die Schüler die ihnen bekannte problemorientierte Vorgehensweise der Technik an.

Schülerzentrierte Unterrichtsformen, wie z. B. arbeitsteiliger Gruppenunterricht, Schülerexperimente oder Projektun­terricht, ermöglichen den Jugendlichen in verstärktem 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.

Probleme aus der Dynamik

  • Videoanalyse von Bewegungsabläufen
  • Physik und Sport [ S 10.2]

    optimaler Wurf, Sprung, usw.; Magnuseffekt bei Ballspielarten (Topspin)

  • Flugphysik

    Experimente mit dem Windkanal, Bau von Modellraketen, Vermessung der Flughöhe

  • Kräfte in beschleunigten Bezugsystemen
    Zentrifugalkraft, Corioliskraft, Wetterphänomene, Drift von Flüssen
  • Physik auf dem Jahrmarkt
    Messung von Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bzw. Kräften bei Fahrgeschäften, Diskussion von Sicherheitsbestimmungen
  • Nichtlineare Dynamik und Strukturbildung [Inf 10.3] 

    Sensitivität, Ordnung und Chaos, Bifurkationsszenario, Iteration und Rückkopplung, Selbstorganisation, Fraktale; Beispiele aus verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaft

Physik am Computer

  • Computermodellierung [ Inf 10.3]

    Verwendung eines Modellbildungssystems, Fehler durch numerische Verfahren

  • Computersimulation eines komplexeren mechanischen Systems [ Inf 10.3]

    Zwei- oder Dreikörperproblem, Doppelpendel

Kosmologie

  • Sternentwicklung, kosmische Größenordnungen

Wellen und Quanten in der Technik

  • Anwendungen von elektromagnetischen Wellen

    Funk- und Telekommunikation, Experimente mit dem Mikrowellenofen

  • Resonanz

    Experimente zu erzwungenen Schwingungen, Resonanzkatastrophe

  • Akustik

    Schallpegel, Untersuchungen an Instrumenten, Fourier-Analyse, Physik des Hörens

  • Ausblick auf weiterführende Themen der Quantenphysik
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