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Physikalische WeltbilderBei 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. An ausgewählten Beispielen aus den angegebenen Vertiefungsmöglichkeiten können die Jugendlichen die Fachinhalte festigen und Fachmethoden weiterentwickeln. Im Rahmen von Referaten und projektartigen Unterrichtsverfahren erarbeiten die Schüler selbständig neue Themenbereiche und erweitern ihre Fähigkeiten, Probleme allein oder im Team eigenverantwortlich zu behandeln und dabei auch wissenschaftliche Arbeitsmethoden zu benutzen. Die Angaben zu den Unterrichtsstunden sind so gewählt, dass fünf Stunden für spezielle Aktivitäten wie ein Unterrichtsprojekt zusätzlich verfügbar sind. 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:
Ph 10.1 Astronomische Weltbilder (ca. 10 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 zwar richtig sind, sich aber zunächst nicht durchsetzen konnten. 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. 26 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 einen Sonderfall (konstante Kraft) eine analytische Lösungsmethode für diese Gleichung kennen gelernt. Nun werden sie mit einer einfachen numerischen Methode vertraut gemacht, die auch Lösungen für reale 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.
Ph 10.3 Wellenlehre und Einblick in die Quantenphysik (ca. 15 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 sowie deren Auswirkungen auf moderne Technologien. 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 NTGIm 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
Physik am Computer
Kosmologie
Wellen und Quanten in der Technik
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