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In diesem Kapitel sind die Themenfelder und Inhalte für die Doppeljahrgangsstufen 7/8 und 9/10 dargestellt. Die in den Themenfeldern aufgeführten Inhalte sind in der jeweiligen Doppeljahrgangsstufe verbindlich. Abhängig von den Stundenvolumina der naturwissenschaftlichen Fächer an den Schulen können die in der Übersicht gekennzeichneten Themenfelder der Doppeljahrgangsstufe 7/8 oder 9/10 zugeordnet werden. Sie werden abhängig von der Entwicklung und den Kompetenzen der Lernenden im Unterricht erarbeitet und vertieft. Die Themenfelder und Inhalte bieten zahlreiche Möglichkeiten, Bezüge zu anderen Fächern und zu übergreifenden Themen herzustellen. Auf unterschiedlichen Niveaus können einzelne Aspekte erneut aufgegriffen und vertieft werden. Die Themenfelder sind didaktisch verbunden und ergeben eine sinnvolle und begründete Reihenfolge, die jedoch nicht starr ist und an Lerngruppen und schulartspezifische Bedingungen angepasst werden kann. Zu jedem Themenfeld sind wichtige Bezüge zu den Basiskonzepten dargestellt.

Um die gleichberechtigte Teilhabe am gesellschaftlichen Leben, unabhängig von ethnischer und kultureller Herkunft, sozialem und wirtschaftlichem Status, Geschlecht und sexueller Orientierung, Alter und Behinderung sowie Religion und Weltanschauung zu ermöglichen, ist es erforderlich, diese individuelle Vielfalt der Lernenden bei der Planung des Unterrichts zu berücksichtigen. Damit fördert der Unterricht die Stärken unterschiedlicher Persönlichkeiten und ermöglicht inklusives Lernen.

Die ausgewiesenen Themenfelder werden für Schülerinnen und Schüler, die wegen einer erheblichen und langandauernden Beeinträchtigung ihres Lern- und Leistungsverhaltens sonderpädagogische Förderung erhalten oder für die sonderpädagogischer Förderbedarf im Förderschwerpunkt Lernen5 festgestellt wurde, schülerbezogen berücksichtigt. Sie werden entsprechend der Lebensbedeutsamkeit für die Schülerinnen und Schüler ausgewählt.

Die Themenfelder und Inhalte bilden die Grundlage für differenzierte Aufgabenstellungen und eine Materialauswahl, die eine Herausforderung für das gesamte Leistungsspektrum einer Lerngruppe darstellt. Die Lernenden erhalten Gelegenheit, ihre Fähigkeiten und Fertigkeiten im Umgang mit den Themenfeldern und Inhalten allein und in der Zusammenarbeit mit anderen unter Beweis zu stellen. Sie erfahren dabei, in welchem Maße sie die gesetzten Standards erreichen bzw. was sie tun können, um ihre Kompetenzen zu vertiefen und zu erweitern. Die Themenfelder und Inhalte knüpfen vor allem an die Themen und Inhalte für das Fach Naturwissenschaften 5/6 an.

Die Kontexte enthalten Anregungen, die die Fachkonferenzen oder Fachlehrkräfte je nach Schulart bzw. -profil nach eigenem Ermessen bei der Planung von Unterricht berücksichtigen können. Dazu ist es erforderlich, dass die Lehrkräfte auf der Grundlage eines schulinternen Curriculums ein eigenes Unterrichtskonzept entwickeln. Dabei sind neben den vorgegebenen Kompetenzen und Inhalten die Interessen der Schülerinnen und Schüler, das Schulprogramm, besondere Gegebenheiten der Schule sowie aktuelle Anlässe zu berücksichtigen. Hierfür ist die Kooperation der Lehrkräfte in Fachkonferenzen oder überschulischen Arbeitskreisen notwendig.

Die Schülerinnen und Schüler erfahren im Unterricht und an außerschulischen Lernorten etwas über Strukturen, Prozesse und Zusammenhänge in Natur und Technik. Damit sie dieses Wissen einschätzen, bewerten und sinnvoll in das eigene Weltbild einfügen können, ist es von entscheidender Bedeutung, dass sie auch erfahren, wie diese Erkenntnisse gewonnen werden. Dazu lernen sie die naturwissenschaftlichen Arbeitsweisen kennen, zu denen sowohl die charakteristischen Denkmethoden, mit denen man in den Naturwissenschaften zu Erkenntnissen gelangt, als auch die charakteristischen Arbeitsmethoden der Fachgebiete Physik, Chemie und Biologie zählen.

Der experimentellen Methode kommt auf Grund ihrer exponierten Stellung in den naturwissenschaftlichen Fächern eine tragende Rolle zu. Aus diesem Grund werden für jedes Themenfeld verbindliche Experimente und Untersuchungen angegeben. Diese können entsprechend der experimentellen Ausstattung der Schule variiert werden, sofern die mit dem Experiment bzw. der Untersuchung verbundenen Intentionen gewahrt bleiben.

Die in den Tabellen angegebenen Fachbegriffe beschränken sich auf wichtige, unverzichtbare Begriffe des Faches.

Der Rahmenlehrplan enthält in den Teilen C für die naturwissenschaftlichen Fächer in allen Themenfeldern Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten, die den Lehrkräften helfen, das für ihre Lerngruppe und für einzelne Schülerinnen und Schüler passende Leistungsniveau anzubieten. Differenzierungsmöglichkeiten beziehen sich auf:

  • die Komplexität von Sachverhalten und Kontexten,
  • die Tiefe, mit der die Inhalte behandelt werden,
  • das Abstraktionsniveau,
  • die experimentellen Zugänge, z. B. mit Bezug auf den Grad der Selbstständigkeit,
  • die unterschiedlichen Bearbeitungsweisen, z. B. bei der Textrezeption und Neustrukturierung von Sachverhalten, beim Erkunden oder Recherchieren,
  • unterschiedliche Verarbeitungsweisen, z. B. Aufgaben lösen, Textproduktion, Anwenden und Memorieren von Wissen,
  • exemplarisches oder fachsystematisches Lernen.

Im Rahmen der Kontingentstundentafel obliegt es jeder Schule, Profilstunden für den Wahlpflichtbereich der Fächer Chemie, Biologie, Physik oder das Wahlpflichtfach Naturwissenschaften anzubieten. Die Themen und Inhalte für ein naturwissenschaftliches Wahlpflichtfach werden von der Fachkonferenz der Schule festgelegt.

 

5In Brandenburg sind diese Schülerinnen und Schüler dem Bildungsgang Förderschule Lernen gemäß § 30 BbgSchulG zugeordnet.

 Doppeljahrgangsstufe 7/8

3.1

Thermisches Verhalten von Körpern

3.2

Wechselwirkung und Kraft

3.3

Mechanische Energie und Arbeit

3.4

Thermische Energie und Wärme

3.5*

Elektrischer Strom und elektrische Ladung

3.6*

Elektrische Stromstärke, Spannung, Widerstand und Leistung


Doppeljahrgangsstufe 9/10

3.5*

Elektrischer Strom und elektrische Ladung

3.6*

Elektrische Stromstärke, Spannung, Widerstand und Leistung

3.7

Gleichförmige und beschleunigte Bewegungen

3.8

Kraft und Beschleunigung

3.9

Magnetfelder und elektromagnetische Induktion

3.10

Radioaktivität und Kernphysik

3.11

Energieumwandlungen in Natur und Technik

3.12

Mechanische Schwingungen und Wellen

3.13

Optische Geräte

 * Abhängig von den Stundenvolumina der naturwissenschaftlichen Fächer an den Schulen können die in der Übersicht gekennzeichneten Themenfelder der Doppeljahrgangsstufe 7/8 oder 9/10 zugeordnet werden.

Das Vorgehen im Physikunterricht soll von Beginn an so angelegt sein, dass die jungen Menschen durch den Physikunterricht eingeladen, ermutigt und inspiriert werden, sich die Welt aus physikalischer Sicht zu erschließen.

Dieser Zugang zur Physik soll exemplarisch anhand von ausgewählten, interessanten Phänomenen und Experimenten der Thermodynamik erfolgen. Wichtige Tätigkeiten, die die Lernenden bereits im Themenfeld Von den Sinnen zum Messen im Fach Naturwissenschaften 5/6 kennengelernt haben, werden aufgegriffen und vertieft, insbesondere das Beobachten und Beschreiben physikalischer Phänomene sowie das Erklären dieser Phänomene unter Einbeziehung einfacher Denkmodelle. Außerdem soll in diesem Themenfeld der Umgang mit physikalischen Größen geübt und vertieft werden.

In diesem Themenfeld erfahren die Lernenden, dass für die Erklärung thermodynamischer Phänomene Teilchenvorstellungen erforderlich sind. Hierbei muss darauf geachtet werden, dass bei mündlichen und schriftlichen Beschreibungen und Erklärungen sorgfältig zwischen Modell und Realität unterschieden wird. 

Die Einführung der physikalischen Größe Dichte kann eingebunden werden, indem beispielsweise die Ausdehnung von Luft bei Temperaturerhöhung untersucht wird.

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Themenbereiche der Physik
  • Längenänderung fester Körper bei Temperaturänderung (qualitativ)
  • Volumenänderung von Flüssigkeiten und Gasen bei Temperaturänderung (qualitativ)
  • Zusammenhang zwischen Masse und Volumen eines Körpers
  • Dichte als physikalische Größe
  • Zusammenhang zwischen Druck und Temperatur eines Gases bei konstantem Volumen
  • Deutung des Drucks in Gasen mithilfe einfacher Teilchenvorstellungen
  • Beschreibung der Aggregatzustände im Teilchenmodell
  • Ausdehnung fester Körper, z. B. Metallrohr oder -draht bei Temperaturerhöhung
  • Ausdehnung von Flüssigkeiten in Abhängigkeit von der Temperaturänderung und vom Stoff
  • experimentelle Bestimmung der Dichte
  • Messung des Luftdrucks 
Bezüge zu den Basiskonzepten
Materie

Das thermische Verhalten von Körpern ist stoffabhängig.

Bei der Erklärung thermodynamischer Phänomene werden Teilchenvorstellungen verwendet.

Stoffe können in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche Aggregatzustände besitzen.

Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Gefahren durch Längenänderungen an Bauwerken und wie man sie beseitigt
  • Feuermelder und Sprinkleranlage für den Brandschutz
  • Mit dem Heißluftballon hoch hinaus Wettererscheinungen beobachten und beschreiben
  • Temperatur
  • Temperaturdifferenz
  • Celsius- und Kelvinskala
  • Teilchenmodell
  • Bimetallstreifen
  • Dichte
  • Luftdruck
  • Brownsche Bewegung
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Berechnung von Längenänderungen bei Temperaturänderungen
  • unterschiedliche Tiefe der Deutung von Vorgängen mit dem Teilchenmodell
  • Selbstständigkeit bei der Formulierung von Vermutungen Gestaltung und Umfang der experimentellen Aufgaben und der Experimentieranleitungen

 

Der Kraftbegriff wird ausgehend von Wechselwirkungen zwischen Körpern in Alltagssituationen eingeführt. Dabei werden verschiedene Arten unterschieden: plastische und elastische Verformung sowie Änderung von Richtung und Geschwindigkeit von Bewegungen. Im Unterricht sollte verdeutlicht werden, dass bei der Behandlung von Kräften zur Vereinfachung häufig Idealisierungen vorgenommen werden, z. B. indem Reibung vernachlässigt wird.

Da die Begriffe Energie und Arbeit erst später eingeführt werden, ist darauf zu achten, dass bei der Erläuterung von Wechselwirkungen zwischen Körpern die Bedeutungen der Begriffe Kraft, Energie und Arbeit nicht vermischt werden.

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Kraft als physikalische Größe
  • Modell Kraftpfeil
  • Kraft als Wechselwirkung zweier Körper bei Form- und Bewegungsänderungen von Körpern
  • Gewichtskraft (qualitativ und quantitativ)
  • hookesches Gesetz Kraftmessung
  • Zusammenhang zwischen Kraft und Längenänderung einer Schraubenfeder
  • Messen von Kräften mithilfe von Federkraftmesser oder Kraftsensor 
Bezüge zu den Basiskonzepten
WechselwirkungBeschreibung von Wechselwirkungen zwischen zwei Körpern mithilfe der Größe Kraft
Materie

Unterschied zwischen Masse und Gewichtskraft

Eigenschaften von Stoffen wie Verformbarkeit und Elastizität

Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Kräfte treiben Fahrzeuge an, z. B. beim Fahrradfahren
  • Kräfte im Sport, z. B. Wechselwirkungen beim Fußball, Gewichtheben, Stabhochsprung und Bungee-Springen
  • plastische und elastische Verformung
  • Wechselwirkung
  • Kraft
  • Kräftegleichgewicht
  • Masse
  • Gewichtskraft
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Auswertung der Experimente und Beschreibung des Zusammenhangs zwischen Kraft und Längenänderung auf verschiedenen Niveaustufen (qualitativ, Beschreibung durch Diagramme, Beschreibung mithilfe der Größe Federkonstante)
  • Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Kraft und Längenänderung eines Gummibands

 

In diesem Themenfeld wird der Begriff Energie und sein Zusammenhang zur mechanischen Arbeit eingeführt. Am Beispiel der potenziellen Energie werden erstmals Energiebeträge berechnet. Die anderen Energieformen werden qualitativ behandelt, wobei nichtmechanische Energieformen einbezogen werden, ohne diese hier weiter zu vertiefen. Besonders wichtig ist die sorgfältige Unterscheidung der Begriffe Arbeit, Energie und Leistung. Bei der Beschreibung von Energieumwandlungen wird der Systembegriff eingeführt und angewendet.

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Energiebegriff, Energieformen (qualitativ), potenzielle Energie (quantitativ)
  • mechanische Arbeit
  • Arten der mechanischen Arbeit
  • Goldene Regel der Mechanik
  • Zusammenhänge zwischen Arbeit, Energie und Leistung
  • Energieerhaltungssatz Energiebetrachtungen in einfachen Systemen unter Einbeziehung von Energieschemen
  • Untersuchungen zur Goldenen Regel der Mechanik
  • experimentelle Bestimmungen von mechanischer Arbeit und mechanischer Leistung
Bezüge zu den Basiskonzepten
Energie

Energie ist eine Erhaltungsgröße.

Änderung von Energie durch Arbeit 

SystemBetrachtung abgeschlossener Systeme bei der Beschreibung von Energieumwandlungen
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Rampen für Rollstuhlfahrer und andere kraftumformende Einrichtungen im Alltag
  • Energieumwandlungen in Kraftwerken, z. B. in einem Pumpspeicherwerk
  • Möglichkeiten des Energiesparens
  • Crashtests
  • Mensch als Energiewandler, z. B. beim Sport
  • Hebel am menschlichen Körper
  • mechanische Arbeit
  • Hubarbeit
  • kinetische und potenzielle Energie
  • chemische Energie
  • thermische Energie
  • Strahlungsenergie
  • mechanische Leistung
  • abgeschlossenes System
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Formulierung und Anwendung der Goldenen Regel auf verschiedenen Niveaustufen (qualitativ, Antiproportionalität von Kraft und Weg)
  • Anwendung der Goldenen Regel der Mechanik auf verschiedene kraftumformende Einrichtungen
  • Wirkungsgradbetrachtungen

Bei der Einführung der Begriffe thermische Energie und Wärme ist ein Bezug zu den Begriffen aus Themenfeld 3.3 herzustellen.

In den alltagsnahen Vorstellungen der Schülerinnen und Schüler wird Wärme oft als etwas Stoffliches aufgefasst. Am Beispiel der Wärmestrahlung wird gezeigt, dass die Übertragung von Wärme nicht an einen Stoff gebunden ist. Da die Behandlung der Übertragung von Wärme vielfältige Anknüpfungspunkte mit der Erfahrungswelt der Schülerinnen und Schüler bietet, können die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der drei Übertragungsarten Wärmeleitung, Wärmeströmung und Wärmestrahlung durch praxisnahe Untersuchungen erarbeitet und herausgestellt werden.

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Zusammenhang zwischen thermischer Energie und Wärme
  • Temperaturausgleich unterschiedlich temperierter Körper
  • Schmelzwärme, Verdampfungswärme, Verdunstungskälte
  • Aggregatzustandsänderungen und ihre Deutung mithilfe von einfachen Teilchenvorstellungen
  • Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung
  • Wärmeleitung im Teilchenmodell
  • Untersuchung des Temperaturverlaufs bei der Wärmeübertragung zwischen zwei Wassermengen mit unterschiedlicher Anfangstemperatur
  • Untersuchung der Wärmeübertragung durch verschiedene Stoffe
Bezüge zu den Basiskonzepten
MaterieEs gibt gute und schlechte Wärmeleiter. Wärmeleitung lässt sich im Teilchenmodell beschreiben.
SystemDie Beschreibung der Wärmeaufnahme und -abgabe von Körpern erfordert die Betrachtung von Systemen. Vereinfachend werden häufig abgeschlossene System betrachtet.
EnergieBei thermodynamischen Vorgängen bleibt die Energie erhalten. Als Prozessgröße beschreibt Wärme den Vorgang der Übertragung von Energie.
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Einfluss von Meeresströmungen auf das Klima
  • Entstehung von Land- und Seewind
  • Wärmehaushalt von Tieren (Eisbär, Fennek)
  • Wärmeversorgung in der Schule und Bewertung von eigenem Nutzerverhalten
  • Nullenergiehaus – ein Energiesparhaus der Zukunft?
  • thermische Energie
  • Wärme
  • Schmelzen, Erstarren, Sieden, Verdampfen, Kondensieren, Verdunsten, Schmelztemperatur, Siedetemperatur
  • Wärmeleitung
  • Wärmeströmung
  • Wärmestrahlung
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • unterschiedliche Tiefe der Deutung der Phänomene mit dem Teilchenmodell
  • Beschreibung und Erklärung von Wärmeübertragungen in unterschiedlich komplexen Sachverhalten (Heizung in einem Raum, Heizungsanlage eines Hauses, Energieströme in einem Energiesparhaus)

Die Schülerinnen und Schüler lernen Beispiele für elektrische Stromkreise und Quellen elektrischer Energie kennen, wobei die physikalischen Größen Stromstärke und Spannung hier noch nicht thematisiert werden. Mithilfe einfacher Stromkreise werden die Wirkungen des elektrischen Stroms eingeführt.

Die Einführung des Modells der elektrischen Feldlinien ermöglicht die Erklärung von Wechselwirkungen zwischen elektrisch geladenen Körpern und damit die Entwicklung eines Modells für den elektrischen Leitungsvorgang in Metallen.

Für die Erklärung elektrischer Leitungsvorgänge in Stromkreisen können geeignete Analogien herangezogen werden, z. B. das Wasserkreislaufmodell. 

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • einfacher Stromkreis als Reihenschaltung einer elektrischen Energiequelle, eines Schalters und eines Energiewandlers
  • Anziehung und Abstoßung zwischen elektrisch geladenen Körpern
  • Modell elektrische Feldlinie
  • Modell für elektrische Leitungsvorgänge in Metallen
  • elektrische Energiequellen
  • elektrischer Strom als bewegte elektrische Ladung
  • Wirkungen des elektrischen Stroms
  • Darstellung von einfachen elektrischen Stromkreisen mithilfe von Schaltsymbolen
  • Reihen- und Parallelschaltung
  • Veranschaulichung der Wirkungen des elektrischen Stroms
  • Ladungsnachweis mithilfe eines Elektroskops
  • Aufbau einfacher Stromkreise
Bezüge zu den Basiskonzepten
MaterieExistenz und Ursachen elektrischer Felder elektrischer Strom als Bewegung von Ladungsträgern
WechselwirkungKräfte in elektrischen Feldern
EnergieQuellen und Umwandlung elektrischer Energie
Systemelektrischer Stromkreis als System
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Wirkungen des elektrischen Stroms in Haushaltsgeräten, z. B. Funktionsweise von Wasserkocher und Türklingel
  • UND-ODER-Schaltung in der Praxis, z. B. für Sicherheitsmaßnahmen bei elektrischen Geräten
  • Elektrostatische Aufladungen im Alltag
  • Gewitter
  • Vom Froschschenkelversuch Galvanis zur modernen Batterie
  • Spannungsquellen für unterwegs, z. B. Batterien, Solarzellen, Handgeneratoren
  • elektrische Ladung
  • Elektron
  • elektrisches Feld
  • elektrische Feldlinie
  • elektrischer Strom
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Komplexität der zu untersuchenden Stromkreise
  • Arbeit mit dem Feldlinienmodell auf verschiedenen Niveaustufen

Mit Einführung der physikalischen Größe elektrische Stromstärke wird die Vorstellung vom Kreislauf der Elektronen vertieft und quantitativ beschrieben. Mit der Einführung der physikalischen Größe elektrische Spannung als Antrieb des elektrischen Stroms werden die Quellen elektrischer Energie aus dem Themenfeld 3.5 aufgegriffen und vertieft. Die anschauliche Erklärung der physikalischen Größe Spannung kann mithilfe von Analogiebetrachtungen zum Wasserkreislaufmodell erfolgen.

Bei der Verwendung von Messgeräten ist besonders auf eine korrekte Nutzung und den sorgsamen Umgang zu achten.

Aus dem experimentell zu erfassenden Zusammenhang zwischen Stromstärke und Spannung wird die physikalische Größe elektrischer Widerstand entwickelt, die für den Fall einer proportionalen Abhängigkeit von Stromstärke und Spannung durch das ohmsche Gesetz beschrieben wird.

Der elektrische Widerstand als Energiewandler in einem Stromkreis führt zur Betrachtung von elektrischer Energie und elektrischer Leistung. 

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Stromstärke als physikalische Größe
  • Spannung als physikalische Größe und Antrieb des elektrischen Stroms
  • ohmsches Gesetz
  • elektrischer Widerstand als physikalische Größe und elektrisches Bauelement
  • elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur
  • Stromstärke und Spannung in Reihen- und Parallelschaltung
  • Widerstandsgesetz
  • elektrische Leistung und Energie als physikalische Größen
  • Spannungsmessungen an verschiedenen Spannungsquellen
  • Stromstärkemessungen in verschiedenen Geräten
  • Aufnahme eines Stromstärke-Spannung-Zusammenhangs eines Bauelements
  • Bestimmung der elektrischen Leistung eines Gerätes
Bezüge zu den Basiskonzepten
MaterieStröme in Materie können durch Widerstände in ihrer Stärke beeinflusst werden. Der Widerstand ist abhängig vom Material.
SystemStromkreise als Systeme
Energie

Energieströme in Stromkreisen

Elektrische Leistung und elektrische Energie lassen sich indirekt mithilfe der physikalischen Größen Stromstärke, Spannung bzw. Zeit bestimmen.

Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Widerstände als Sensoren
  • Vorwiderstände für Leuchtdioden
  • Technische Widerstände und ihre Miniaturisierung in Computer- und Kommunikationstechnik
  • Entwicklung elektrischer Lichtquellen, z. B. Glühlampe, Energiesparlampe, LED
  • Gefahren des elektrischen Stroms
  • Kabelbrände bei Überlast
  • elektrische Stromstärke
  • elektrische Spannung
  • elektrischer Widerstand
  • spezifischer elektrischer Widerstand
  • elektrische Leistung
  • elektrische Energie
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Selbstständigkeit bei der Planung, Durchführung und Auswertung von Versuchen
  • Anforderungen bei der Bearbeitung mathematisch-physikalischer Aufgaben
  • Reihenschaltung von Solarzellen
  • Untersuchung von Reihen- und Parallelschaltungen
  • Spannungsteilerschaltung

Ausgehend von Alltagserfahrungen zur Relativität von Bewegungen werden diese beschrieben und verglichen. Im Themenfeld ist ein Verständnis dafür zu entwickeln, dass gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen modellhafte Vereinfachungen von meist deutlich komplizierteren Bewegungsabläufen darstellen. Bewegungen im Alltag bieten vielfältige Anknüpfungspunkte für experimentelle sowie mathematisch-physikalische Untersuchungen. Problemstellungen zur Bestimmung von Brems- und Anhaltewegen bieten Bezüge zur Verkehrserziehung.  

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Bewegung, Bewegungsarten und Bezugssystem
  • Unterscheidung von Momentan- und Durchschnittsgeschwindigkeit
  • Beschreibung von Bewegungen mithilfe der Größen Geschwindigkeit und Beschleunigung
  • Bewegungsgesetze der gleichförmigen und der gleichmäßig beschleunigten Bewegung und zugehörige Diagramme
  • Deutung von Bewegungen mithilfe von s(t)- und v(t)-Diagrammen
  • freier Fall, Bestimmung der Fallbeschleunigung
  • waagerechter Wurf als zusammengesetzte Bewegung (qualitativ)
  • zufällige und systematische Fehler
  • Untersuchung der Abhängigkeit s(t) für gleichförmige Bewegungen, z. B. mithilfe der Luftkissenbahn, einer aufsteigenden Luftblase oder einer Modelleisenbahn auf geradliniger Strecke
  • Untersuchung der Abhängigkeit s(t) für gleichmäßig beschleunigte Bewegungen, z. B. mithilfe der Luftkissenbahn oder Bewegungssensoren
  • Untersuchung von Fallbewegungen
Bezüge zu den Basiskonzepten
System

Die Beschreibung von Bewegungen ist abhängig von einem gewählten Bezugssystem.

Zuordnung realer Bewegungen zu Bewegungsarten

Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Sicherheit im Straßenverkehr, z. B. Sicherheitsabstände, Überholvorgänge, Bremswege, Geschwindigkeitskontrollen
  • Bewegungen einer S-Bahn
  • Bewegungen eines Flugzeugs, z. B. Start, Flug, Geschwindigkeitsmessung
  • Abbremswege, z. B. in der Raumfahrt, in der Schifffahrt
  • Eine Welt ohne Reibung
  • Fahrtenschreiber
  • Galilei kontra Aristoteles
  • Bezugssystem
  • gleichförmig geradlinige Bewegung
  • Momentangeschwindigkeit, Durchschnittsgeschwindigkeit
  • Beschleunigung
  • Reaktionszeit, Reaktionsweg
  • Brems- und Anhalteweg
  • Fallbeschleunigung
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Komplexität der betrachteten Bewegungen, z. B. Anfahren einer S-Bahn, vollständige Fahrt einer S-Bahn zwischen zwei Stationen
  • Ausmaß der zu treffenden Vereinfachungen, z. B. Berücksichtigung Anfangsbedingungen, ungleichmäßige Beschleunigungen
  • Grad der Mathematisierung, z. B. Vorzeichen von Geschwindigkeit und Beschleunigung
  • Komplexität der auszuwertenden Diagramme
  • Einflüsse von Fehlern bei Experimenten erkennen und bewerten

Die geschichtliche Entwicklung der Ansichten bedeutender Philosophen und Naturwissenschaftler zur Ursache von Bewegungen führen zu dem heute gültigen Kraftbegriff und den Axiomen von Newton. Diese sind nicht nur als Grundpfeiler der Dynamik anzusehen, sondern lassen sich vielfältig praxisnah an Alltagserfahrungen anknüpfen. Bei Problemlösungen durch Anwendungen des Grundgesetzes der Mechanik ist auf die Bedeutung der Kraft als die Resultierende aller wirkenden Kräfte und die Bedeutung der Masse als die gesamte beschleunigte Masse hinzuweisen.

Desweiteren soll die Wechselwirkung von Körpern infolge von Reibung auf der Grundlage verschiedener Versuche erörtert werden. Beim Problemlösen wird die unterschiedliche Bedeutung von Wechselwirkung und Kräftegleichgewicht vertieft und mathematisch weitergeführt. 

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Trägheitsgesetz
  • Wechselwirkungsgesetz
  • Grundgesetz der Dynamik
  • Zerlegen und Addieren von Kräften bei einfachen Beispielen
  • Problemlösen unter Verwendung des newtonschen Grundgesetzes
  • Haftreibung, Gleitreibung und Rollreibung (qualitativ)
  • Radialkraft als Ursache einer Kreisbewegung (qualitativ)
  • Luftwiderstandskraft
  • Versuche zur Trägheit
  • Versuche zur Reibung
  • quantitative Untersuchungen zum Grundgesetz der Dynamik,
    z. B. mithilfe der Luftkissenbahn,
    Beschleunigungs- oder Kraftsensoren
Bezüge zu den Basiskonzepten
Materie

 Form und Oberflächenbeschaffenheit haben einen Einfluss auf die Luftwiderstandskraft eines bewegten Körpers. 

WechselwirkungMit den drei newtonschen Gesetzen können Bewegungsabläufe erklärt und vorausgesagt werden.
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Analyse von Crashtests und Sicherungsvorkehrungen in Fahrzeugen
  • Kräfte an Fahrzeugen, z. B. Fahrrad, Vergleich verschiedener PKW und LKW, Maßnahmen zur Reduzierung des cW-Wertes
  • Fahrt in einem Fahrstuhl, Seifenkisten-rennen
  • Bewegung eines Fallschirmspringers
  • Trägheit
  • Wechselwirkung
  • Reibungskraft
  • resultierende Kraft, Kräftezerlegung
  • Kreisbewegung
  • Radialkraft
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Hangabtriebskraft und Normalkraft, Untersuchungen zur Zerlegung von Kräften an der geneigten Ebene, z. B. Bestimmung von Reibungskoeffizienten

Aus dem Themenfeld 3.5 ist den Schülerinnen und Schülern bekannt, dass eine Wirkung des elektrischen Stroms der Magnetismus ist.

Es werden die Eigenschaften von Elektromagneten und Dauermagneten verglichen. Zur Erklärung des Dauermagnetismus wird das Modell Elementarmagnet eingeführt, der Elektromagnetismus wird als Eigenschaft des elektrischen Stroms erklärt. Das Feldlinienmodell ermöglicht die Erklärung der Wechselwirkung.

Das Verständnis der Wechselwirkung von stromdurchflossenen Leitern und Magnetfeldern und elektromagnetischer Induktion ermöglicht die Erklärung wichtiger elektrischer Geräte, wie z. B. Elektromotor und Generator sowie Mikrofon und Lautsprecher.  

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Dauer- und Elektromagnete
  • Modell Elementarmagnet
  • Modell der magnetischen Feldlinien
  • Vergleich elektrisches und magnetisches Feld
  • Kräfte auf stromführende Leiter im Magnetfeld
  • Aufbau und Funktionsweise Elektromotor
  • Induktionsgesetz (qualitativ)
  • Erzeugung einer Wechselspannung mit einem Generator Aufbau, Funktion und Spannungsübersetzung eines unbelasteten Transformators
  • Kräfte auf stromführende Leiter
  • Nachweis von Induktionsspannungen
  • Spannungsübersetzung am Transformator
Bezüge zu den Basiskonzepten
Materie

 Ein Eisenkern verstärkt das Magnetfeld im Innern einer stromdurchflossenen Spule. 

WechselwirkungErklärung der Entstehung von Spannungen durch die Wechselwirkung von Magnetfeld und Induktionsspule
SystemBetrachtung komplexer technischer Geräte, wie z. B. Motor und Generator
EnergieInduktion als Energieumwandlung und Energieübertragung
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Magnetfeld der Erde
  • Windkraftwerk als Generator
  • Nutzbremse bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen: Elektromotor, Generator
  • Schall erfassen und erzeugen mit Mikrofon bzw. Lautsprecher
  • Informationsspeicher Festplatte
  • Magnetfeld
  • Elektromotor
  • elektromagnetische Induktion
  • Induktionsspannung
  • Wechselspannung
  • Generator
  • Transformator
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Einbeziehung verschiedener Anwendungen von magnetischen Feldern in der Technik, z. B. magnetische Speicher, magnetisches Rühren, magnetische Sensoren
  • Die Beschreibung bzw. Erklärung der Induktionsvorgänge ist auf verschiedenen Niveaustufen möglich.
  • Wirbelströme

Das Ziel dieses Themenfeldes ist es, dass die Lernenden das Phänomen der Radioaktivität kennenlernen. Technische und medizinische Anwendungen der Kernphysik sind besonders für die Entwicklung von Beurteilungskompetenz geeignet.

In diesem Themenfeld erwerben die Lernenden grundlegendes Wissen über den Aufbau der Materie. Dazu wird das aus dem Chemieunterricht bekannte Kern-Hülle-Modell aufgegriffen. Veränderungen im Atomkern führen zur Aussendung ionisierender Strahlung. Diese Vorgänge werden mittels statistischer Gesetzmäßigkeiten beschrieben. 

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Arten der natürlichen radioaktiven Strahlung
  • Absorptionsvermögen (qualitativ)
  • Ionisierungsvermögen
  • radioaktive Strahlung aus dem Atomkern
  • Aktivität als physikalische Größe
  • Halbwertszeit
  • radioaktive Strahlung in unserer Umwelt
  • biologische Wirkungen radioaktiver Strahlung (qualitativ)
  • Kernspaltung
  • Nachweis natürlicher radioaktiver Strahlung
  • Realexperiment oder Modellexperiment
    zum radioaktiven Zerfall, z. B. Bierschaumversuch, Computersimulation
Bezüge zu den Basiskonzepten
Materie

Aufbau der Materie aus Elektronen, Protonen und Neutronen Strahlung als Materie

WechselwirkungWirkungen radioaktiver Strahlung
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Natürliche Radioaktivität
  • Anwendungen radioaktiver Strahlung in der Medizin
  • Kernkraftwerke als Beitrag zum Klimaschutz?
  • Kernwaffen – Verantwortung der Wissenschaft
  • Endlagerung von radioaktivem Müll als gesellschaftliche Herausforderung
  • Radioaktivität
  • stabiler und instabiler Atomkern
  • Isotop
  • Alpha-, Beta-, Gamma-Strahlung
  • ionisierende Strahlung
  • Kernzerfall
  • Halbwertszeit
  • Kernspaltung
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • unterschiedliche Tiefe der Beschreibung des radioaktiven Zerfalls, z. B. Wortgleichungen, Zerfallsgleichungen, Zerfallsreihen
  • Kernfusion

In diesem Themenfeld greifen die Schülerinnen und Schüler Wissen aus den Themenfeldern 3.3, 3.4 und 3.6 auf und vertiefen ihre Erkenntnisse durch quantitative Betrachtungen, z. B. bei der Berechnung von Energieumwandlungen und Wirkungsgraden.

Das Themenfeld bietet vielfältige Möglichkeiten, komplexere Fragestellungen aufzugreifen und Wissen aus unterschiedlichen Themenfeldern miteinander zu verknüpfen, auch über das Fach Physik hinaus. 

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Energieumwandlungen und Energieübertragungen
  • Berechnung von potenziellen und kinetischen Energien
  • thermische Leistung einer Wärmequelle
  • Berechnung von Wärmen, spezifische Wärmekapazität
  • Wirkungsgrad und Energieflussschemen bei Energieumwandlungen
  • Problemlösungen durch quantitative Energiebetrachtungen
  • Abhängigkeiten der Wärme von der Temperaturänderung,
    der Masse und vom Stoff
  • Bestimmung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungen,
    z. B. bei der Warmwasserbereitung mithilfe eines Wasserkochers
Bezüge zu den Basiskonzepten
Energie

Energieübertragungen und Energieumwandlungen sind wesentlich für alle natürlichen und technischen Vorgänge.

Für die Nutzung von Energie sind die Herkunft der Energie, der Wirkungsgrad der Energieumwandlung und die Auswirkungen zu beachten.

Quantitative Betrachtungen zur Energie sind eine wesentliche Voraussetzung für den sorgsamen Umgang und den sinnvollen Einsatz von Energie.

SystemDie Betrachtungen von Energieübertragungen und -umwandlungen erfordern die Festlegung von klar bestimmten Systemen.
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Sicherung einer nachhaltigen Energieversorgung in der Zukunft
  • Energetische Betrachtungen zur Wirkung einer Abrissbirne
  • Energie aus der Sonne
  • Wärmekraftwerke und ihr Einfluss auf den Klimawandel
  • Sonnen-, Wind-, Wasser- und Wärmekraftwerke im Vergleich
  • Energiesparen im Haushalt
  • Speicherung von Energie, z. B. in einem Pumpspeicherwerk
  • Energieumwandlungen im menschlichen Körper
  • potenzielle Energie
  • kinetische Energie
  • thermische Leistung
  • Wärme als physikalische Größe
  • spezifische Wärmekapazität
  • Wirkungsgrad offene und geschlossene Systeme
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Umfang und Komplexität der quantitativen Energiebetrachtungen
  • globale Erwärmung und Energiegewinnung
  • Übertragung von elektrischer Energie in Stromverbundnetzen
  • Bestimmung der Solarkonstante

Mechanische Schwingungen werden als Bewegungsform dargestellt. Ihr periodischer Verlauf lässt sich durch Kopplungskräfte des schwingungsfähigen Systems erklären. Insbesondere die Kenngrößen der mechanischen Schwingung sollen vielseitig experimentell untersucht werden. Die Gleichungen für die Periodendauer von Fadenpendel und Federschwinger ermöglichen quantitative Vergleiche mit eigenen Messergebnissen.

Aufbauend auf das Alltagsphänomen Wasserwelle lassen sich die Kenngrößen mechanischer Wellen sowie die Phänomene Reflexion, Brechung, Beugung und Überlagerung praxisorientiert veranschaulichen. 

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Kenngrößen einer harmonischen Schwingung
  • Darstellung harmonischer Schwingungen in Diagrammen
  • Dämpfung von Schwingungen
  • Energieumwandlungen bei einem Fadenpendel oder einem Federschwinger
  • Resonanz
  • Kenngrößen mechanischer Wellen
  • Darstellung mechanischer Wellen in Diagrammen
  • Reflexion und Brechung
  • Beugung und Interferenz mechanischer Wellen
  • Untersuchung der Abhängigkeiten der Periodendauer eines Fadenpendels oder eines Federschwingers
  • Untersuchung gedämpfter Schwingungen
  • Untersuchung des Phänomens der Resonanz
  • Untersuchung der Eigenschaften von Wellen, z. B. Wasserwellen oder Schallwellen
  • Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer Welle
Bezüge zu den Basiskonzepten
System

 Eine mechanische Schwingung entsteht durch eine Störung an einem schwingungsfähigen System.

MaterieDie Ausbreitung einer mechanischen Welle wird mit Kopplungskräften zwischen den Teilchen der Materie erklärt. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von Eigenschaften der Materie ab. Form und Material von Federn haben einen Einfluss auf die Periodendauer von Federschwingern.
EnergieSchwingungen lassen sich durch periodische Energieumwandlungen beschreiben.
Eine Welle überträgt Energie ohne Materie zu transportieren.
WechselwirkungDie Ruhelage ist nicht Ausdruck einer Wechselwirkung, sondern eines Gleichgewichts von Kräften.
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Stoßdämpfer beim Auto
  • Auswirkungen von Resonanzeffekten, z. B. der Zusammensturz der Tacoma Narrows Bridge
  • Erdbebenwellen, Tsunami, z. B. mögliche Vorwarnzeiten, erdbebensicheres Bauen
  • Musikinstrumente, z. B. Schallerzeugung, Schallausbreitung, Frequenzanalyse, Akustik von Räumen
  • Brechung von Meereswellen am Strand
  • Amplitude, Elongation, Frequenz, Periodendauer
  • Ruhelage
  • Resonanz
  • Längswelle, Querwelle
  • Wellenlänge
  • Ausbreitungsgeschwindigkeit
  • Reflexion und Brechung
  • Beugung Interferenz
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Rückstellkräfte bei einem Federschwinger und einem Fadenpendel
  • Gleichung zur Berechnung der Periodendauer
  • qualitative oder quantitative Beschreibung zur Beugung und Überlagerung von Wellen

Das Phänomen Licht lässt sich mit unterschiedlichen Methoden untersuchen und durch verschiedene Modelle erklären. In diesem Themenfeld wird an das Wissen über das Modell Lichtstrahl aus Naturwissenschaften 5/6 angeknüpft. Dabei wird es auf verschiedene optische Alltagsphänomene und auf das Verständnis der Funktion optischer Geräte angewandt. 

InhalteExperimente/Untersuchungen
  • Modell Lichtstrahl
  • Lichtgeschwindigkeit
  • Strahlengang in ausgewählten optischen Geräten
  • Reflexions- und Brechungsgesetz
  • Totalreflexion
  • Bildentstehung bei einer Sammellinse
  • Abbildungsmaßstab und Linsengleichung
  • Brechung einfarbigen Lichts am Prisma
  • Zerlegung weißen Lichts am Prisma, Spektrum des Lichts farbige Bilder durch Addition der Grundfarben Rot, Grün, Blau, z. B. beim Bildschirm oder Fotoapparat
  • quantitative Untersuchung von Reflexion und Brechung des Lichts
  • Untersuchungen zur Linsengleichung
  • Farbzerlegung an einem Prisma
Bezüge zu den Basiskonzepten
Materie

Reflexion und Brechung des Lichts hängen von der Oberflächenbeschaffenheit und dem Material des Körpers ab.

WechselwirkungWechselwirkung des Lichts mit den Hindernissen als Ursache für Reflexion, Brechung
SystemLichtquelle, Hindernis und Nachweisgerät (Schirm o. Ä.) als zu betrachtende Gesamtheit
Mögliche KontexteFachbegriffe
  • Optische Linsen gegen Weit- und Kurzsichtigkeit
  • Phänomene in der Natur, z. B. Regenbogen, Luftspiegelungen, z. B. Fata Morgana
  • Lichtleiter in der Technik
  • Bildentstehung in einem Fotoapparat
  • Sichtfeld eines Tauchers
  • Reflexion
  • Brechung
  • Totalreflexion
  • reelle und virtuelle Bilder
  • Brennpunkt
  • Brenn-, Gegenstands- und Bildweite
  • konkav, konvex Spektralfarben
Beispiele für Differenzierungsmöglichkeiten
  • Brechungsgesetz in verschiedenen Niveaustufen (qualitativ, Diagramm, Gleichung)
  • Bildentstehung in weiteren optischen Instrumenten, z. B. im Kepler-Fernrohr und im Mikroskop
  • Beugung und Interferenz von Licht (Deutung mit dem Wellenmodell)

Der Wahlpflichtunterricht stellt ein Angebot dar, das über den Regelunterricht hinausgeht und ihn thematisch erweitert. Er dient der Vertiefung von Fachinhalten und schafft die Möglichkeit, Fachliches und Überfachliches zu verbinden.

Im schulinternen Curriculum wird sichergestellt, dass thematische Dopplungen mit dem Regelunterricht und Vorgriffe auf Inhalte des Unterrichts in der gymnasialen Oberstufe vermieden werden.

Grundlage für den Unterricht im Wahlpflichtfach sind die fachlichen Kompetenzbereiche. Werden weitere Fächer hinzugezogen, gilt dies für die Kompetenzbereiche aller beteiligten Fächer.

In den Fächern Biologie, Chemie und Physik kann im Wahlpflichtfach auf Themenfelder aus dem Fachteil Naturwissenschaften 7 – 10 zurückgegriffen werden.

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