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11/12 Physik 3

Während die Schüler im bisherigen Unterricht einen Überblick über die wichtigsten Teilgebiete und Konzepte der Physik erworben haben, erweitern sie nun in der Oberstufe ihre Fähigkeiten, indem sie ihre Kenntnisse durch theoretische Grundlagen vertiefen und miteinander verknüpfen. Dies führt einerseits zu einer breiten naturwissenschaftlichen Allgemeinbildung, die vor allem auf der zielgerichteten Verwendung fundamentaler Prinzipien und zeitgemäßer physikalischer Modelle beruht, andererseits erwerben die Schüler auf diese Weise ein modernes Weltbild, in das diese Prinzipien und Modelle sinnvoll eingebettet sind.

Auch durch die Verwendung abstrakter Modelle können die Schüler nun anspruchsvollere Probleme lösen, wobei die Nützlichkeit mathematischer Verfahren an vielen Stellen deutlich wird. Darüber hinaus erkennen sie, dass physikalische Modelle die Basis für das Verständnis vieler Alltagsphänomene und technischer Anwendungen bilden. Die regelmäßige Verwendung geeigneter Software erleichtert ihnen einerseits das Auswerten und Dokumentieren von Experimenten und veranschaulicht ihnen andererseits komplizierte physikalische Sachverhalte.

Zur Vorbereitung auf Beruf und Studium arbeiten die Schüler vermehrt selbständig, insbesondere im Rahmen der Seminare und bei der Mitwirkung an Experimenten.

Elektromagnetismus und ein Einblick in die spezielle Relativitätstheorie sind die zentralen Themen der Jahrgangsstufe 11. Aufbauend auf qualitativen Vorstellungen entwickeln die Schüler ein tragfähiges Feldkonzept, das auf wenigen Grundaussagen basiert und mithilfe dessen sich viele scheinbar unterschiedliche statische und dynamische Phänomene erklären lassen, da sie auf gleichen Prinzipien beruhen. Im Rahmen der speziellen Relativitätstheorie lernen die Schüler einige erstaunliche Effekte kennen, die bei Bewegungen sehr hoher Geschwindigkeit auftreten. Dabei erkennen sie, dass die Ideen Einsteins das heutige Verständnis von Raum und Zeit entscheidend geprägt haben.

Schüler, die die Lehrplanalternative Biophysik wählen, lernen die Grundlagen eines modernen und faszinierenden Zweigs der Physik kennen, der zunehmend an Bedeutung gewinnt und mittlerweile eine Schlüsselposition in der interdisziplinären Forschung innehat. Vor diesem Hintergrund begreifen die Schüler, dass mithilfe physikalischer Modelle und Arbeitsmethoden weitreichende Aussagen über die Funktionsweise biologischer Systeme getroffen werden können. Dabei erfahren die jungen Erwachsenen auch, dass geeignete Modelle einerseits einen gewissen Komplexitätsgrad haben müssen, um sinnvolle Aussagen zu ermöglichen, andererseits die Beherrschbarkeit von Modellen mit ihrem Komplexitätsgrad rapide abnimmt.

Um auch bei Wahl der Lehrplanalternative Biophysik die notwendigen Voraussetzungen zur Fortsetzung des Physikkurses in der Jahrgangsstufe 12, ggf. auch im Rahmen der Lehrplanalternative Astrophysik, zu schaffen, sind die Abschnitte „Auge und Ohr“, „Typische Untersuchungsmethoden der Biophysik“ sowie „Neuronale Signalleitung und Informationsverarbeitung“ im Umfang der empfohlenen Unterrichtszeit verpflichtend zu unterrichten. Da die Biophysik jedoch eine Wissenschaft mit unzähligen Teildisziplinen ist und deshalb im vorgegebenen Rahmen nicht erschöpfend unterrichtet werden kann, kann ein weiterer Themenbereich im Rahmen von etwa 21 Unterrichtsstunden frei ausgewählt werden. Es wird empfohlen, diesen aus einem der Bereiche „Photosynthese“, „Strahlenbiophysik und Medizinphysik“ und „Grundlagen der Biomechanik“ zu wählen.

In der Jahrgangsstufe 12 steht der Themenbereich „Struktur der Materie“ im Mittelpunkt, wobei die ersten Begegnungen mit der Quantenphysik in Jahrgangsstufe 10 aufgegriffen, ausgebaut und untermauert werden. Damit ist es möglich, Atome und Atomkerne aus quantenphysikalischer Sicht zu betrachten, wodurch die Schüler einen Überblick über den aktuellen Stand der Vorstellung vom Aufbau der Materie erhalten. Dieses erweiterte Wissen versetzt sie in die Lage, sich zu vielen gesellschaftlich relevanten Themen eine eigene, fachlich fundierte Meinung zu bilden und diese verantwortungsbewusst zu vertreten.

Bei Wahl der Lehrplanalternative Astrophysik lernen die Schüler, dass hier verschiedene Teilgebiete der Physik zusammenwirken und insbesondere Erkenntnisse aus der Atom- und Kernphysik sowie der Relativitätstheorie große Fortschritte ermöglicht haben. Sie lernen zudem, dass in der Astrophysik häufig nur Abschätzungen möglich sind, die aber trotzdem zu stichhaltigen Aussagen führen, wobei stets die Annahme zugrunde liegt, dass die physikalischen Gesetze universelle Gültigkeit besitzen. Wo immer möglich fließen Ergebnisse aus aktuellen Forschungsprojekten in den Unterricht ein, da die steigende Präzision astrophysikalischer Messungen fortwährend zu einer Fülle neuer Informationen führt, die ganz entscheidend zum tieferen Verständnis des Universums beitragen. Damit erleben die Schüler die Astrophysik als aktuelle und lebendige Wissenschaft.

Da die Betrachtung des Sternhimmels jeden Schüler fasziniert, ist sie durch keine Unterrichtsmethode zu ersetzen. Deshalb soll den Schülern mehrfach die Gelegenheit zu Beobachtungsabenden gegeben werden.

Jahrgangsstufe 11

Ph 11.1 Statisches elektrisches Feld (ca. 16 Std.)

Die Schüler lernen, wie sich das bisher nur qualitativ betrachtete elektrische Feld über die Kraftwirkung auf einen geladenen Probekörper quantitativ und in seiner räumlichen Struktur genauer erfassen lässt. Für einfache Fälle wird die Überlagerung elektrischer Felder veranschaulicht und plausibel gemacht. Ergänzend führen Energiebetrachtungen zum Begriff des elektrischen Potentials. Dabei erkennen die Schüler die Bedeutung der Spannung als Potentialdifferenz. Elektrostatische Phänomene aus der Lebenswelt der Schüler machen ihnen schließlich die Bedeutung der Physik im Alltag deutlich.

Ph 11.2 Statisches magnetisches Feld (ca. 8 Std.)

Die Schüler übertragen das zur Beschreibung des elektrischen Feldes entwickelte Konzept auf das Magnetfeld. Die magnetische Flussdichte definieren sie über die Kraftwirkung auf ein stromdurchflossenes Leiterstück. Dabei erkennen sie, dass die Bewegung von Ladungen eine Ursache für Magnetfelder ist und lernen, wie damit homogene Magnetfelder erzeugt werden können. Bei der Gegenüberstellung der Größen und Eigenschaften von elektrischem und magnetischem Feld werden Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede deutlich.

  • Beschreibung des magnetischen Feldes durch die magnetische Flussdichte
    • ­Veranschaulichung eines statischen Magnetfeldes durch den Feldlinienverlauf
    • Permanentmagnet und Weiß’sche Bezirke
    • ­Definition der magnetischen Flussdichte über die Kraftwirkung auf ein stromdurchflossenes Leiterstück

  • elektrische Ströme als Ursache von Magnetfeldern
    • ­Feldlinienverlauf um einen geraden stromdurchflossenen Leiter
    • ­magnetische Flussdichte und Feldlinienverlauf im Innern einer langgestreckten Spule

Ph 11.3 Bewegung geladener Teilchen in Feldern und Einblick in die spezielle Relativitätstheorie (ca. 22 Std.)

Die in Jahrgangsstufe 10 erarbeiteten Newton’schen Gesetze werden nun auf elektrisch geladene Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern angewandt, um deren Bewegung qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Bei Experimenten mit Elektronen höherer Energie erkennen die Schüler, dass Effekte auftauchen, die durch die klassische Mechanik nicht beschrieben werden können. Sie erfahren einerseits, dass mithilfe der Relativitätstheorie die Massenzunahme erklärt werden kann, andererseits erhalten Sie einen Einblick in die enorm weitreichenden Auswirkungen der Einstein'schen Ideen.

  • Bewegung geladener Teilchen in homogenen elektrischen Feldern
    • Erzeugung eines Elektronenstrahls
    • Bewegungen geladener Teilchen im Längs- und Querfeld
    • ein Beispiel einer technischen Anwendung, z. B. Oszilloskop mit Braun’scher Röhre
  • Bewegung geladener Teilchen in homogenen Magnetfeldern
    • Kräfte auf bewegte Ladungen
    • Kreisbahnen bewegter Ladungen im homogenen Magnetfeld; Bestimmung der spezifischen Ladung des Elektrons
    • Hall-Effekt, Funktionsprinzip der Hall-Sonde
  • Anwendungen in der Wissenschaft
    • einfacher Massenspektrograph
    • Zyklotron, Anwendung von Teilchenbeschleunigern, z. B. in der Grundlagenforschung
    • Massenzunahme bei hochenergetischen Elektronen anhand eines historischen Versuchs (z. B. Bucherer/Kaufmann)
    • relativistische Masse E = mc2
    • Postulate
    • Hinweis auf Zeitdilatation und Längenkontraktion
    • Auswirkungen auf die Vorstellung von Raum und Zeit
  • ein Beispiel eines Phänomens oder einer Anwendung in Natur und Technik (z. B. Bestrahlungstherapie mit geladenen Teilchen, Entstehung des Polarlichts)

Ph 11.4 Elektromagnetische Induktion (ca. 14 Std.)

Wurden bisher statische elektrische und magnetische Felder ausschließlich unabhängig voneinander betrachtet, so entdecken die Schüler bei der Untersuchung von Induktionsvorgängen einen Zusammenhang zwischen diesen Feldern, der im Induktionsgesetz seine mathematische Formulierung findet. Die Schüler erleben dabei, wie das Zusammenwirken von Experiment und Theorie zu neuen Erkenntnissen führt. Die Vielfalt technischer Anwendungen, die auf dem Induktionsgesetz beruhen, führt ihnen die Bedeutung der Physik in ihrer täglichen Umgebung vor Augen. Bei der Behandlung der Energie des magnetischen Feldes bietet sich eine zusammenfassende Analogiebetrachtung zwischen elektrischem und magnetischem Feld an.

Ph 11.5 Elektromagnetische Schwingungen und Wellen (ca. 24 Std.)

Im Rahmen der Behandlung des elektromagnetischen Schwingkreises vertiefen die Schüler ihr Wissen über elektrische und magnetische Felder. Sie entdecken dabei gleichzeitig neue Phänomene und die enge Beziehung zu mechanischen Schwingungen. Beim Vergleich von mechanischen und elektromagnetischen Schwingungen nehmen die Schüler die Analogiebetrachtung ein weiteres Mal als typische Vorgehensweise in der Physik wahr. In der Folge erfahren sie, dass auch ein Dipol ein elektromagnetisch schwingungsfähiges System ist. Experimente und geeignete Visualisierungen machen ihnen plausibel, wie sich von einem Dipol elektrische und magnetische Wechselfelder ausbreiten. Damit bekommen sie einen Zugang zum Verständnis moderner Kommunikationstechnologie. Darüber hinaus erfahren sie, dass elektromagnetische Strahlung immer dann entsteht, wenn Ladungen beschleunigt werden. Anknüpfend an Ph 10.3 greifen die Schüler wieder das Thema mechanische Wellen auf und festigen ihre Modellvorstellung von Licht als elektromagnetischer Welle. Dabei lernen sie, dass sich die Welleneigenschaften von Licht experimentell analog zur Dipolstrahlung nachweisen lassen. Vor diesem Hintergrund sind die Schüler in der Lage, viele Naturerscheinungen zu erklären, die auf elektromagnetische Wellen zurückzuführen sind. Von den zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten lernen sie ein Beispiel aus Technik, Wissenschaft und Forschung kennen.
     

11 Lehrplanalternative Biophysik

PhBio 11.1 Auge und Ohr (ca. 21 Std.)

Auge und Ohr sind diejenigen Sinnesorgane, mit denen der Mensch und andere Lebewesen die durch Licht und Schallwellen übertragenen Signale aufnehmen und in Nervenimpulse umwandeln; diese werden dem Gehirn über Nervenbahnen zugeleitet und durch entsprechende Verschaltung von Nervenzellen zu verwertbaren Informationen verarbeitet. Die Schüler erfahren, dass sich diese Antennen im Lauf der Evolution in faszinierender Weise den physikalischen Gegebenheiten der Umwelt und der Lebensweise unterschiedlicher Organismen angepasst haben.
Über grundlegende Erkenntnisse aus Optik und Akustik, durch geeignete Analogieexperimente und die Anwendung entsprechender physikalischer Modelle erlangen die Schüler ein vertieftes Verständnis der Funktionsweise der Sinnesorgane Auge und Ohr.

  • Das Auge
    • Aufbau des menschlichen Auges und Konstruktion des Strahlenverlaufs
    • Linsengleichung als Bedingung für scharfes Sehen, Akkommodation, Funktion der Pupille
    • Anpassung des Auges an verschiedene Lebensräume, z. B. Fischauge, Adlerauge
    • Einblick in die Funktionsweise der Retina, Stäbchen und Zapfen, spektrale Empfindlichkeit
  • Grenzen unserer Sehleistung
    • Beugung und Interferenz am Doppel- und Einfachspalt
    • Grenzen des Auflösungsvermögens aufgrund von Beugung, Sehzellendichte, konvergenter Signalverarbeitung und Linsenfehlern
  • Grundlagen der Akustik
    • Wellencharakter von Schall
    • Schalldruck und Schalldruckpegel, Frequenz und Tonhöhe
  • Das Ohr
    • Außen- und Mittelohr, Impedanzanpassung
    • Schallausbreitung im Innenohr, Wanderwellentheorie
    • Corti’sches Organ und Erzeugung von Nervenimpulsen

PhBio 11.2 Typische Untersuchungsmethoden der Biophysik (ca. 21 Std.)

An ausgewählten Beispielen erkennen die Schüler die Bedeutung physikalischer Untersuchungsmethoden in der Biophysik, die Aussagen über strukturelle und physikalische Eigenschaften von Biomolekülen und biologischen Systemen ermöglichen. Dabei greifen die Schüler auf ihnen bereits bekannte physikalische Grundkonzepte aus der Strahlenoptik, Wellenlehre und Elektrizitätslehre zurück. Sie festigen, vertiefen und erweitern diese Grundkenntnisse, um die Funktionsprinzipien mikroskopischer und spektroskopischer Methoden zu begreifen.

  • Lichtmikroskop
    • Aufbau, Vergrößerung und Auflösungsvermögen in Analogie zum Auge
  • Grundlagen elektrischer und magnetischer Felder
    • Potential und elektrisches Feld im Plattenkondensator, Kapazität
    • Kräfte auf Ladungen im homogenen elektrischen Feld
    • magnetische Flussdichte und Lorentzkraft in homogenen Magnetfeldern
    • Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern, relativistische Massenzunahme
  • Elektronenmikroskop
    • Wellencharakter von Elektronen, Wellenlänge nach de Broglie
    • Grundprinzip magnetischer Linsen
    • Aufbau und Strahlengang des Transmissionselektronenmikroskops
    • Auflösungsvermögen in Analogie zum Lichtmikroskop
  • Spektroskopische Verfahren
    • Absorptionsspektroskopie
    • Aufbau und Funktionsweise eines einfachen Massenspektrometers
    • Funktionsprinzip des Rasterkraftmikroskops

PhBio 11.3 Neuronale Signalleitung und Informationsverarbeitung (ca. 21 Std.)

Die Schüler betrachten grundlegende neurophysiologische Vorgänge sowie elementare Mechanismen der Informationsverarbeitung und beschreiben diese anhand biologischer und physikalischer Modelle auf zellulärer bzw. molekularer Ebene. Sie erkennen, dass das Verhalten biologischer Systeme auf physikalischen Grundprinzipien beruht und über physikalische Modelle auch quantitativ beschrieben werden kann.

  • Zelluläre Grundlagen
    • Aufbau von Nervenzellen und Zellmembranen
    • Diffusion und Membranpotential
    • Beschreibung der Zellmembran durch einen elektrischen Ersatzschaltkreis
  • Erregungsleitung im Nervensystem
    • passive und aktive Signalleitung
    • passive Signalleitung im Ersatzschaltkreis
    • Strategien zur Maximierung der Signalleitungsgeschwindigkeit
    • Einblick in die Signalübertragung zwischen Nervenzellen
  • Optische Täuschungen und ihre Ursachen 
    • Grundprinzipien der Signalerzeugung in den Rezeptorzellen des Auges
    • Anpassung der Empfindlichkeit von Sinneszellen
    • Verschaltungsprinzipien bei Nervenzellen

PhBio 11.4 Photosynthese (ca. 21 Std.)

Durch biologische Systeme wird kontinuierlich Energie aufgenommen und wieder abgegeben. Die Energiequelle, von der alles Leben auf unserer Erde abhängt, ist die Sonne. Die Schüler lernen mit der Photosynthese den auch für unsere Existenz unabdingbaren, lebenserhaltenden Prozess kennen. Sie knüpfen an ihre Erkenntnisse über Materiewellen an und erarbeiten sich ein quantenmechanisches Atommodell. Sie übertragen diese Erkenntnisse auf Moleküle und können damit das Absorptionsverhalten der Photosynthesepigmente verstehen. Sie erkennen weiterhin, dass biophysikalische Methoden und Konzepte dazu geeignet sind, für uns lebenswichtige Prozesse aufzuklären, und welche Rolle eine geeignete Modellierung dabei spielt.

  • Umwandlung von Licht in chemische Energie
    • Überblick über Ablauf und Ort der Photosynthese
    • Photosystem I und II
    • Licht- und Dunkelreaktion
    • Wanderung der Elektronen und Protonen
  • Der eindimensionale Potentialtopf als Atommodell
    • Elektronen als stehende Wellen, Energieniveaus
    • Aufenthaltswahrscheinlichkeit und Orbitale
    • Lichtabsorption und Emission im Potentialtopfmodell
  • Übertragung des Orbitalmodells auf Moleküle
    • räumliche Orientierung von σ - und π -Orbitalen, Pauliprinzip
    • Absorption eines Lichtquants durch ein Chlorophyllmolekül
  • Vom Lichtquant bis zur Ladungstrennung
    • Absorptionsverhalten der Photosynthesepigmente
    • Antennensystem
    • strahlungsloser Energietransport, Elektron-Loch-Wanderung
    • Effizienz des Antennensystems, Schutzsystem, Quantenausbeute

PhBio 11.5 Strahlenbiophysik und Medizinphysik (ca. 21 Std.)

Die Schüler gewinnen ein vertieftes Verständnis dafür, wie grundlegende physikalische Wechselwirkungen von ionisierender Strahlung, elektromagnetischen Feldern und Schall mit biologischem Gewebe für die Gewinnung von Information über Vorgänge im menschlichen Körper genutzt werden können. Das prinzipielle Verständnis der Absorptionsmechanismen ionisierender Strahlung in lebendem Gewebe versetzt die Schüler in die Lage, den Nutzen und die Gefahren beim Einsatz in der medizinischen Therapie zu verstehen.

  • Therapeutische Nutzung ionisierender Strahlung
    • Röntgenröhre und Teilchenbeschleuniger in der Medizin
    • biologische Wirkung ionisierender Strahlung
    • Tumorbekämpfung durch Bestrahlung
  • Nutzung ionisierender Strahlung in der Diagnose
    • Projektionsröntgentechnik, Computertomographie
    • nuklearmedizinische Messtechnik, Überblick über häufig verwendete Radionuklide
    • Tracermethoden, Positronen-Emissions-Tomographie (PET)
  • Sonographie
    • Erzeugung und Eigenschaften von Ultraschall
    • Prinzip der Sonographie und Anwendung, Dopplersonographie
  • Elektrische Felder in Diagnose und Therapie, z. B. EKG, EEG, Defibrillator

PhBio 11.6 Grundlagen der Biomechanik (ca. 21 Std.)

Mit der Biomechanik lernen die Schüler den ältesten, aber immer noch aktuellen Zweig der Biophysik kennen. Aus der Analyse der äußeren und inneren Kräfte, denen Pflanzen und Tiere im bewegten und unbewegten Zustand ausgesetzt sind, ergeben sich viele interessante Anwendungsmöglichkeiten der in der Natur verwirklichten technischen Prinzipien.

  • Biostatik
    • Hebel und Drehmoment
    • Dehnungsverhalten einfacher Systeme, z. B. Schrauben- und Blattfeder
    • Elastizität, Plastizität und Reißfestigkeit
    • Stabilitätsbetrachtungen bei Pflanzenkörpern und Knochen
    • Anpassung der menschlichen Wirbelsäule an die aufrechte Haltung
  • Laufen, Schwimmen, Fliegen
    • Struktur und Funktion von Skelettmuskeln
    • einfache Betrachtungen zum Springen und Gehen
    • Grundlagen der Strömungsmechanik,  Betrachtungen am Strömungskanal (Simulationen)
    • Erzeugung von Vortrieb unter Wasser
    • Fliegen am Beispiel des Gleitens, Ausblick auf aktiven Flug

Jahrgangsstufe 12

Ph 12.1 Eigenschaften von Quantenobjekten (ca. 12 Std.)

Nachdem die Schüler in der Jahrgangsstufe 10 einen Einblick in grundlegende Inhalte und Denkweisen der Quantenphysik gewonnen haben, untersuchen sie nun exemplarisch Eigenschaften von Quantenobjekten genauer. Mit der quantitativen Auswertung und Deutung des Photoeffekts erlangen sie ein weitergehendes Verständnis für den Teilchencharakter von Photonen. Der Wellencharakter von Elektronen lässt sich anhand eines Experiments zur Elektronenbeugung zeigen und unter Einbeziehung der De-Broglie-Wellenlänge auch plausibel machen. Die Schüler lernen, dass im mikroskopischen Bereich der strenge Determinismus durch Wahrscheinlichkeitsaussagen ersetzt werden muss, und erfahren die Bedeutung der Unbestimmtheitsrelation von Heisenberg. So erkennen sie, dass das klassische Teilchenbild zur Beschreibung des Mikrokosmos ungeeignet ist und durch ein neues Teilchenkonzept ersetzt werden muss.

Ph 12.2 Ein Atommodell der Quantenphysik (ca. 21 Std.)

Aus Jahrgangsstufe 9 ist den Schülern bereits bekannt, dass Atome nur diskrete Energiemengen aufnehmen und abgeben. Bereits die quantenphysikalische Deutung eines eindimensionalen Potentialtopfs mit unendlich hohen Wänden, in dem ein Elektron eingesperrt ist, führt zu diskreten Energiewerten.
Analog zu den Newton’schen Gesetzen, die als Axiome der klassischen Mechanik betrachtet werden können, liefert die Schrödingergleichung, die nur in ihrer zeitunabhängigen, eindimensionalen Form betrachtet wird, den Schlüssel zur Lösung quantenmechanischer Probleme. Bei der graphischen Darstellung von Lösungen der Schrödingergleichung für weitere einfache quantenmechanische Systeme können die Schüler Computerprogramme verwenden. Auch bei der Untersuchung eines Elektrons im realistischen Coulombpotential des Kerns kann der Computer sinnvoll eingesetzt werden, um die Energiewerte für das Wasserstoffatom zu finden. Durch die Aufnahme des Spektrums können diese theoretisch erhaltenen Werte experimentell bestätigt werden. Dreidimensio­nale Darstellungen der Aufenthaltswahrscheinlichkeiten von Elektronen vermitteln den Schülern einen visuellen Eindruck der vor allem in der Chemie wichtigen Orbitale und zeigen die Bedeutung der Quantenzahlen auf.
Die Schüler erfahren, wie die Systematik des Periodensystems der Elemente mit der Besetzung von Mehrelektronensystemen zusammenhängt. Schließlich sind sie in der Lage, das Atommodell zur Erklärung von Phänomenen wie Röntgenstrahlung oder Fraunhofer’sche Linien zu nutzen und technische Anwendungen wie z.B. die Spektralanalyse zur Identifikation von Stoffen zu verstehen.

Ph 12.3 Strukturuntersuchungen zum Aufbau der Materie (ca. 6 Std.)

Die Methoden, mit denen in der Wissenschaft der Aufbau der Materie in immer kleineren Dimensionen untersucht wird, sind sich prinzipiell ähnlich. In der Regel beschießt man die zu untersuchende Materie mit geeigneten Teilchen und analysiert die durch Wechselwirkungsprozesse gestreuten oder erzeugten Teilchen. Die Schüler verstehen, dass das Erforschen immer kleinerer Strukturen Teilchen mit immer kleinerer Wellenlänge und damit Beschleuniger für höhere Teilchenenergie notwendig macht. Die Beschäftigung mit den Strukturuntersuchungen auf sehr kleinen Längenskalen macht den Schülern die Bedeutung und die Notwendigkeit von Grundlagenforschung für die Gewinnung neuer Erkenntnisse bewusst.

Die Schüler befassen sich abschließend mit den fundamentalen Teilchen und Wechselwirkungen des Standardmodells der Teilchenphysik. Damit verfügen sie über eine abgerundete Vorstellung vom Aufbau der Materie, die mit dem Stand der Forschung zu Beginn des 21. Jahrhunderts vereinbar ist.

  • Aufbau der Materie und Teilchenfamilien des Standardmodells
    • Entdeckung des Atomkerns durch Streuung von Alpha-Teilchen
    • Zusammensetzung der Hadronen aus Quarks, Hinweis auf Streuexperimente
    • Leptonen, Quarks und ihre Antiteilchen
    • die fundamentalen Wechselwirkungen und ihre Austauschteilchen

Ph 12.4 Ein einfaches Kernmodell der Quantenphysik (ca. 8 Std.)

Die Beschäftigung mit der mittleren Bindungsenergie pro Nukleon in Abhängigkeit von der Zahl der Nukleonen in einem Atomkern zeigt den Schülen die prinzipiellen Möglichkeiten der „Energiegewinnung“ aus Atomkernen auf. Ausgehend von dem vereinfachten Ansatz, dass sich jedes Nukleon in einem Kastenpotential befindet und für die Protonen zusätzlich das Coulombpotential zu berücksichtigen ist, wird den Schülern das Auftreten diskreter Energieniveaus für die Nukleonen verständlich. Die Schüler erfahren, dass die Nukleonen wie die Quarks selbst, durch die starke Wechselwirkung im Kern aneinander gebunden werden.

  • Protonen und Neutronen im Potentialtopf der Kernkraft
    • Massendefekt und mittlere Bindungsenergie je Nukleon in Abhängigkeit von der Nukleonenzahl, Energiegewinnungaus Atomkernen

    • Eigenschaften der Kernkraft und zugehöriges Potentialtopfmodell, Verteilung der Protonen und Neutronen auf die jeweils möglichen Energieniveaus, diskrete Energiewerte von γ -Quanten

    • Stabilität von Atomkernen, Entstehung von α- und β-Strahlung durch Kernumwandlungen

Ph 12.5 Radioaktivität und Kernreaktionen (ca. 16 Std.)

Aufbauend auf den in der Jahrgangsstufe 9 erworbenen Grundkenntnissen über die Radioaktivität vertiefen die Schüler ihr Verständnis über die Wechselwirkung von radioaktiver Strahlung mit Materie. Damit können sie die nötigen Maßnahmen zum Strahlenschutz verstehen und einschätzen. Ihre inzwischen erworbenen mathematischen Kenntnisse und Fertigkeiten erlauben es ihnen, Berechnungen zur Altersbestimmung mithilfe des radioaktiven Zerfalls durchzuführen.

Die Schüler eignen sich die physikalischen Grundlagen der technischen Nutzung der Kernphysik an. Damit soll die Möglichkeit geschaffen und die Bereitschaft geweckt werden, sich bei Fragen zur Kerntechnik ein eigenes, fachlich fundiertes Urteil zu bilden und dieses verantwortungsbewusst zu vertreten.

  • Radioaktive Strahlung
    • Experimente zur Unterscheidung der Strahlungsarten
    • natürliche Zerfallsreihen, Nuklidkarte
    • Abstandsgesetz
    • Zerfallsgesetz [ M11.4, M 12.4]
    • Anwendung des radioaktiven Zerfalls zur Altersbestimmung
    • Strahlenbelastung des Menschen durch natürliche und künstliche Strahlung, Maßnahmen zum Strahlenschutz
  • Kernreaktionen, Aspekte der Nutzung der Kernenergie
    • Kernspaltung, Kettenreaktion, Prinzip eines Kernreaktors
    • Kernfusion, Prinzip eines Fusionsreaktors
    • Entdeckung und Nachweis des Neutrons
    • Anwendungen in der Medizin
    • Chancen und Risiken der Kernenergietechnik, Sicherheitsvorkehrungen, Entsorgung redioaktiver Materialien

12 Lehrplanalternative Astrophysik

PhAst 12.1 Orientierung am Himmel (ca. 6 Std.)

Die Betrachtung typischer astronomischer Objekte vermittelt den Schülern einen ersten Eindruck von der Vielfalt der Strukturen im Weltall. Im Rahmen von Beobachtungsabenden lernen sie markante Sternbilder sowie typische astronomische Objekte kennen und überzeugen sich von deren scheinbarer Bewegung am Himmel. Die drehbare Sternkarte erweist sich dabei als effizientes Hilfsmittel. Das Erlebnis der eigenen Beobachtung, ansprechendes Bildmaterial und der Besuch eines Planetariums oder einer Sternwarte regen die Schüler zur Auseinandersetzung mit weitergehenden Fragestellungen an.

  •  Überblick über typische astronomische Objekte
    • Beobachtung von Sternbildern und astronomischen Objekten
    • Überblick über astronomische Größenordnungen von Entfernungen, Zeiten, Massen
  • tägliche und jährliche Bewegung von Himmelskörpern
    • scheinbare Bewegung von Sternen und Planeten
    • Bewegung der Sonne und der Planeten relativ zum Fixsternhintergrund

 

 

PhAst 12.2 Überblick über das Sonnensystem (ca. 9 Std.)

Die Schüler lernen die typischen physikalischen Eigenschaften der Objekte unseres Sonnensystems im Überblick kennen. Bei der Bestimmung von Massen, Bahnradien und Umlaufzeiten im Planetensystem werden die in Jahrgangsstufe 10 behandelten Gesetze von Kepler und das Gravitationsgesetz aufgegriffen. Die Schüler erkennen darin universelle Instrumente, mit denen sich auch Informationen z. B. über andere Planeten- und Sternsysteme sowie Galaxien gewinnen lassen. Zum Studium unterschiedlicher Bahnformen setzen die Schüler Computersimulationen ein.

  • Überblick über den Aufbau des Sonnensystems
    • Planeten und ihre Monde, ausgewählte Beispiele zu Zwergplaneten
    • Kometen, Meteoriten, Hinweis auf Kleinkörper im Sonnensystem
  • Bestimmung von Massen und Bahnparametern im Sonnensystem
    • Wiederholung der Gesetze von Kepler und des Gravitationsgesetzes
    • Prinzip der Massenbestimmung von Sonne, Planeten und Monden
    • künstliche Satelliten und Raumsonden

PhAst 12.3 Die Sonne (ca. 17 Std.)

Die Sonne ist der einzige Stern, der von der Erde aus als ausgedehnte Scheibe sichtbar ist und bei dem Vorgänge und Strukturen auf der Oberfläche beobachtbar sind. Im Wechselspiel zwischen Theoriebildung und zielgerichteter Beobachtung gewinnen die Schüler eine Fülle von Informationen über die Sonne, die sie später auf andere Sterne übertragen können. Bei der Untersuchung des Sonnenspektrums vertiefen sie die in Ph 9.2 gewonnenen Kenntnisse aus der Atomphysik und lernen die Spektralanalyse als eine wesentliche Arbeitsmethode der Astrophysik kennen.
Die Schüler erfahren, wie sich mithilfe der Strahlungsgesetze aus der Energieabstrahlung der Sonne deren Oberflächentemperatur bestimmen lässt. Ausgehend von der Messung der Bestrahlungsstärke des direkten Sonnenlichts auf der Erdoberfläche ermitteln sie die Größenordnung der Strahlungsleistung der Sonne. Bei der Klärung der Frage nach der Energiequelle wird den Schülern die Bedeutung kernphysikalischer Kenntnisse bewusst.

  • Spektrum der Sonne
    • Linienspektren und ihre Deutung durch die Atomphysik
    • Sonnenspektrum, Fraunhofer’sche Linien
  • Energieabstrahlung der Sonne
    • Solarkonstante und Leuchtkraft der Sonne
    • Strahlungsgesetze von Stefan-Boltzmann und Wien
    • Oberflächentemperatur der Sonne
  • Energieerzeugung im Inneren der Sonne
    • kernphysikalische Grundlagen, Energiebetrachtungen bei Kernumwandlungen
    • Bedingungen für die Wasserstoff-Fusion im Zentralbereich der Sonne
  • Aufbau der Sonne und Energietransport
    • Aufbau der Sonne, Diagramme zu Druck und Temperatur in der Sonne
    • Energietransport vom Zentralbereich der Sonne zur Oberfläche 
    • Oberflächenphänomene, Sonnenwind

PhAst 12.4 Sterne (ca. 18 Std.)

Der Vergleich von Strahlungsspektren verschiedener Sterne mit dem der Sonne macht den Schülern plausibel, dass es sich bei Sternen um sehr weit entfernte „Sonnen“ handelt und dass sich die am Beispiel der Sonne gewonnenen Erkenntnisse auf Sterne übertragen lassen. Mit der Bestimmung der Radialgeschwindigkeit mittels des Dopplereffekts wird ein Verfahren verwendet, das sich auch bei anderen astronomischen Fragestellungen als sehr hilfreich erweist. Bei der Beschäftigung mit Entfernungen von Sternen werden den Schülern auch die Möglichkeiten und Grenzen unterschiedlicher Messmethoden bewusst.
Die enorme Energieabgabe von Sternen einerseits und der begrenzte Vorrat an Materie andererseits führen unmittelbar zur Frage nach der Entwicklung von Sternen. Die Schüler lernen mit dem Hertzsprung-Russell-Diagramm ein wichtiges Ordnungsschema für die verschiedenen Sterntypen kennen. Sie lernen, wie Sterne entstehen und wieder vergehen, und unter welchen Bedingungen sich extreme Endzustände wie z. B. Schwarze Löcher ausbilden. Letztendlich wird ihnen bewusst, dass der gesamte Lebenslauf eines Sterns entscheidend von seiner Anfangsmasse bestimmt wird.

  • Entfernungsbestimmung und Bewegung von Sternen
    • jährliche trigonometrische Parallaxe
    • Dopplereffekt, charakteristische Beispiele zu Tangential- und Radialbewegung
    • Nachweis von Exoplaneten
  • Zustandsgrößen von Sternen
    • scheinbare und absolute Helligkeit, Entfernungsmodul
    • Leuchtkraft, Oberflächentemperatur, Radius
    • Massenbestimmung, auch bei Doppelsternsystemen
  • Hertzsprung-Russell-Diagramm
    • Systematik der Einordnung von Sternen
    • Bereiche der Sterntypen Hauptreihenstern, Roter Riese, Weißer Zwerg
    • Beziehung zwischen Masse und Leuchtkraft für Hauptreihensterne
    • Hertzsprung-Russell-Diagramm von Sternhaufen
  • Sternentwicklung
    • Entstehung von Sternen, Hauptreihenstadium
    • Riesenstadium, Überblick über die möglichen Endzustände

PhAst 12.5 Großstrukturen im Weltall (ca. 13 Std.)

Mit der Milchstraße lernen die Schüler eine typische Spiralgalaxie kennen und erfahren, wie sich aus radioastronomischen Beobachtungen die Lage unserer Sonne innerhalb der Milchstraße bestimmen lässt. Davon ausgehend gewinnen sie einen Eindruck vom Aufbau und der Größe einer Spiralgalaxie. Außerdem lernen sie Methoden kennen, mit denen sich Informationen über andere Galaxien gewinnen lassen und erweitern dabei nochmals ihr Wissen über astronomische Strukturen. Die Untersuchung von weit entfernten Objekten einschließlich Quasaren führt unter anderem zur Hubble-Beziehung, die ebenso wie die kosmische Hintergrundstrahlung ein Beleg für die Expansion des Universums ist. Dadurch wird die Urknalltheorie für die Schüler in ihren Grundaussagen verständlich.

  • die Milchstraße als typische Spiralgalaxie
    • Aufbau und Abmessungen der Milchstraße, Abschätzung ihrer Masse 
  • Entfernungsbestimmung von Galaxien
    • Cepheiden und Supernovae als Standardkerzen
    • Radialgeschwindigkeit von Galaxien, Hubble-Gesetz
    • Ausblick auf Quasare
  • Kosmologie
    • Expansion des Universums, kosmische Hintergrundstrahlung
    • Ausblick auf das Urknall-Modell, Größe und Alter des Universums
    • Hinweis auf Dunkle Materie und Dunkle Energie
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