2 Kompetenzbereiche, Inhaltsfelder und Kompetenzerwartungen

Die in den allgemeinen Aufgaben und Zielen des Faches beschriebene übergreifende fachliche Kompetenz wird ausdifferenziert, indem fachspezifische Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder identifiziert und ausgewiesen werden. Dieses analytische Vorgehen erfolgt, um die Strukturierung der fachrelevanten Prozesse einerseits sowie der Gegenstände andererseits transparent zu machen. In den Kompetenzerwartungen werden Prozesse und Gegenstände miteinander verknüpft. Damit wird der Tatsache Rechnung getragen, dass der gleichzeitige Einsatz von Können und Wissen bei der Bewältigung von Anforderungssituationen eine zentrale Rolle spielt.

ompetenzbereiche repräsentieren die Grunddimensionen des fachlichen Handelns. Sie dienen dazu, die einzelnen Teiloperationen entlang der fachlichen Kerne zu strukturieren und den Zugriff für die am Lehr-Lern-Prozess Beteiligten zu verdeutlichen.

Inhaltsfelder systematisieren mit ihren jeweiligen inhaltlichen Schwerpunkten die im Unterricht an Weiterbildungskollegs verbindlichen und unverzichtbaren Gegenstände und liefern Hinweise für die inhaltliche Ausrichtung des Lehrens und Lernens.

Kompetenzerwartungen führen Prozesse und Gegenstände zusammen und beschreiben die fachlichen Anforderungen und intendierten Lernergebnisse, die kontinuierlich bis zum Ende des Bildungsgangs erreicht werden sollen. Kompetenzerwartungen

• beziehen sich auf beobachtbare Handlungen und sind auf die Bewältigung von Anforderungssituationen ausgerichtet,
• stellen im Sinne von Regelstandards die erwarteten Kenntnisse, Fähigkeiten und Fertigkeiten auf einem mittleren Abstraktionsgrad dar,
• ermöglichen die Darstellung einer Progression vom Anfang bis zum Ende des Bildungsgangs und zielen auf kumulatives, systematisch vernetztes Lernen,
• können in Aufgabenstellungen umgesetzt und überprüft werden.

Insgesamt ist der Unterricht im Bildungsgang des Weiterbildungskollegs nicht allein auf das Erreichen der aufgeführten Kompetenzerwartungen beschränkt, sondern soll es Studierenden ermöglichen, diese weiter auszubauen und darüber hinausgehende Kompetenzen zu erwerben.

2.1 Kompetenzbereiche und Inhaltsfelder des Faches

Der Physikunterricht im Bildungsgang des Weiterbildungskollegs ermöglicht den Erwerb von Kompetenzen, die für eine vertiefte physikalisch-naturwissenschaftliche Bildung erforderlich sind.

Kompetenzbereiche

Dieser Kernlehrplan unterscheidet die vier Kompetenzbereiche Umgang mit Fachwissen, Erkenntnisgewinnung, Kommunikation sowie Bewertung.

Kompetenzen in diesen Bereichen treten oft gemeinsam auf, überschneiden sich teilweise und sind auch nicht immer scharf voneinander abzugrenzen.

Umgang mit Fachwissen Der Kompetenzbereich Umgang mit Fachwissen bezieht sich auf die Fähigkeit, physikalische Konzepte zur Lösung von Aufgaben und Problemen aus fachbezogenen Anwendungsbereichen auszuwählen und zu nutzen. Dazu ist ein tiefes Verständnis ihrer Bedeutung notwendig, was u. a. die Kenntnis von Eigenschaften, theoretischen Einbettungen oder funktionalen Zusammenhängen, Gültigkeitsbereichen, Beispielen für die Angemessenheit bestimmter Konzepte sowie von verknüpften Handlungsmöglichkeiten beinhaltet. Für einen sicheren Zugriff auf vorhandenes und für die Erschließung und Integration von neuem Fachwissen ist es außerdem erforderlich, das Wissen angemessen zu organisieren und zu strukturieren.

Erkenntnisgewinnung Der Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung beinhaltet die Fähigkeiten und methodischen Fertigkeiten von Studierenden, naturwissenschaftliche Fragestellungen zu erkennen, diese mit Experimenten und anderen Methoden hypothesengeleitet zu untersuchen und Ergebnisse zu gewinnen und zu verallgemeinern. Naturwissenschaftliche Erkenntnis basiert im Wesentlichen auf einer Modellierung der Wirklichkeit. Modelle, von einfachen Analogien bis hin zu mathematisch-formalen Modellen und Theorien, dienen dabei zur Veranschaulichung, Erklärung und Vorhersage. Eine Reflexion der Erkenntnismethoden verdeutlicht den besonderen Charakter der Naturwissenschaften mit ihren spezifischen Denk- und Arbeitsweisen und grenzt sie von anderen Möglichkeiten der Weltbegegnung ab.

Kommunikation Der Kompetenzbereich Kommunikation beschreibt erforderliche Fähigkeiten für einen produktiven fachlichen Austausch. Kennzeichnend dafür ist, mit Daten und Informationsquellen sachgerecht und kritisch umzugehen sowie fachliche Ausführungen in schriftlicher und mündlicher Form verstehen und selbst präsentieren zu können. Dazu gehört auch, gebräuchliche Darstellungsformen wie Tabellen, Graphiken und Diagramme zu beherrschen sowie bewährte Regeln der fachlichen Argumentation einzuhalten. Charakteristisch für die Naturwissenschaften ist es außerdem, eigene Überlegungen offenzulegen, eigene Gedanken und Untersuchungsergebnisse einer fachlichen Kritik durch andere auszusetzen sowie die kritische Auseinandersetzung mit fremden Ideen.

Bewertung Der Kompetenzbereich Bewertung bezieht sich auf die Fähigkeit, überlegt zu urteilen. Dazu gehört, Kriterien und Handlungsmöglichkeiten sorgfältig zusammen- zutragen und gegeneinander abzuwägen. Auf dieser Grundlage ist es möglich, rationale und begründete Entscheidungen zu treffen und dafür zielführend Position zu beziehen. Für gesellschaftliche und persönliche Entscheidungen sind diesbezüglich die Kenntnis und Berücksichtigung von normativen und ethischen Maßstäben bedeutsam, nach denen Interessen und Folgen naturwissenschaftlicher Forschung beurteilt werden können. Es ist jedoch auch notwendig, die Chancen für naturwissenschaftliche Problemlösungen einschätzen zu können und zu erkennen, wo naturwissenschaftliche Erkenntnis an ihre Grenzen stößt.

Inhaltsfelder

Kompetenzen sind nicht nur an bestimmte Arbeitsprozesse, sondern immer auch an fachliche Inhalte gebunden. Eine vertiefte physikalisch-naturwissenschaftliche Bildung soll deshalb mit Blick auf die nachfolgenden Inhaltsfelder entwickelt werden.

Einführungsphase

Inhaltsfeld 1 Mechanik Wesentliche Aspekte des Inhaltsfelds Mechanik markieren den Beginn und die Grundlagen der Physik nach heutigem Verständnis. Der Bereich Mechanik beinhaltet die Analyse und Beschreibung von Bewegungen, Kräften und Energieumformungen sowie deren Einfluss auf Bewegungszustände. Bedeutsam sind hier auch grundlegende Wirkungen der Gravitation. Im Bereich Mechanik entwickeln sich zentrale Konzepte und Sichtweisen, die für das Verstehen der Physik in allen Bereichen einen fundamentalen Rahmen bilden.

Qualifikationsphase – Grundkurs

Inhaltsfeld 2 Quantenobjekte Im Inhaltsfeld Quantenobjekte dienen das Photon und das Elektron als zwei beispielhafte Quantenobjekte, die beide in unterschiedlichen Experimenten sowohl Teilchen- als auch Wellencharakter zeigen. In der Quantenmechanik gelingt die Aufhebung dieses Welle-Teilchen-Dualismus. Die Sicht auf Quantenobjekte verbindet Wellen- und Teilchenaspekt mithilfe von Wahrscheinlichkeitsaussagen. Die Quantenphysik führt die Studierenden in Aspekte der Physik des 20. Jahrhunderts ein und ermöglicht den Ausblick auf aktuelle Entwicklungen.

Inhaltsfeld 3 Elektrodynamik Im Inhaltsfeld Elektrodynamik stehen physikalische Grundlagen der Versorgung mit elektrischer Energie im Vordergrund. Die elektromagnetische Induktion spielt hier eine wesentliche Rolle sowohl bei der Erzeugung elektrischer Spannung als auch bei der Verteilung der elektrischen Energie. Elektrodynamische Vorgänge haben in weiten Bereichen unseres Alltags vielfältige und umfangreiche Anwendung gefunden und beeinflussen unser tägliches Leben in erheblichem Umfang.

Inhaltsfeld 4 Strahlung und Materie Das Inhaltsfeld Strahlung und Materie beinhaltet den Aufbau des Atoms aus Elementarteilchen, die Entstehung des Lichts in der Hülle der Atome, die Emission und Ausbreitung ionisierender Strahlung aus den radioaktiven Isotopen der Materie sowie deren Einfluss auf den Menschen und auf Materie. Diese Kenntnisse bieten Entscheidungsgrundlagen zum Umgang mit ionisierender Strahlung. Einblicke in die aktuelle physikalische Forschung ermöglichen ein grundlegendes Verständnis neuerer Modelle zum Aufbau der Materie.

Inhaltsfeld 5 Relativität von Raum und Zeit Das Inhaltsfeld Relativität von Raum und Zeit liefert einen Einblick in die spezielle Relativitätstheorie. Aus der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit lassen sich Phänomene wie die Zeitdilatation auch quantitativ be- gründen. Die Ergebnisse der (speziellen) Relativitätstheorie scheinen unserer täglichen Erfahrung zu widersprechen, da Zeit und Raum „relativ“ sind. Der für diese Veränderun- gen von Raum und Zeit entscheidende Term ist der sog. relativistische Faktor. Weitere Resultate der speziellen Relativitätstheorie, sind Vorhersagen zur der Veränderlichkeit der Masse und der Energie-Masse-Äquivalenz.

Qualifikationsphase – Leistungskurs

Inhaltsfeld 2 Relativitätstheorie Das Inhaltsfeld Relativitätstheorie umfasst inhaltliche Aspekte der speziellen Relativitätstheorie wie die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit, Zeitdilatation und Längenkontraktion, die relativistische Massenzunahme und die Äquivalenz von Masse und Energie. Die Relativitätstheorie beschreibt Naturzusammenhänge, die sich der unmittelbaren Erfahrung und der anschaulichen Vorstellung zu entziehen scheinen, die sich aber mathematisch exakt beschreiben lassen und inzwischen auch experimentell vielfältig bestätigt sind. Die Relativitätstheorie hat das Verständnis von Raum und Zeit zu Beginn des 20. Jahrhunderts und damit wesentliche Grundanschauungen der Physik revolutioniert.

Inhaltsfeld 3 Elektrik Im Inhaltsfeld Elektrik werden Eigenschaften elektrischer La- dungsträger und ihr Verhalten in elektrischen und magnetischen Feldern untersucht. Weitere Schwerpunkte liegen auf den Beziehungen zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen, insbesondere auf der Beschreibung von elektromagnetischer Induktion und von elektromagnetischen Schwingungen und Wellen. Die Elektrik liefert neben der Mechanik einen weiteren Teil der klassisch-physikalischen Beschreibung der Natur. Sie beinhaltet fundamentale Aussagen über elektrische und magnetische Sachverhalte, die in weiten Bereichen unseres täglichen Lebens vielfältige Anwendung gefunden haben und unser tägliches Leben in deutlichem Maße beeinflussen.

Inhaltsfeld 4 Quantenphysik Im Inhaltsfeld Quantenphysik geht es um Eigenschaften von Photonen und Elektronen als Quantenobjekte, um den Welle-Teilchen-Dualismus und seine Aufhebung durch die Wahrscheinlichkeitsinterpretation, um Abgrenzungen und Unterschiede zwischen Ideen der klassischen Physik und der Quantenphysik und um Ansätze quantenphysikalischer Atommodelle. Die Sicht auf Quantenobjekte verbindet Wellen- und Teilchenaspekt der Materie mithilfe von Wahrscheinlichkeitsaussagen. Sie stellt neben der Relativitätstheorie eine der Säulen der modernen Physik dar.

Inhaltsfeld 5 Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik Das Inhaltsfeld Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik beinhaltet den Aufbau des Atoms, seiner Hülle und seines Kerns sowie den Aufbau der Materie im Kleinsten nach dem sogenannten Standardmodell. Inhalte sind außerdem ionisierende Strahlung und radioaktiver Zerfall von Atomkernen sowie Kernumwandlungen durch Kernspaltung und Kernfusion. Die Behandlung von Atom- und Kernphysik bietet einerseits einen Einblick in den Aufbau der Materie und liefert andererseits Entscheidungsgrundlagen für die Einschätzung des Für und Wider im Umgang mit ionisierender Strahlung und der Nutzung von Kernenergie.

2.2 Kompetenzerwartungen und inhaltliche Schwerpunkte bis zum Ende der Einführungsphase

Der Unterricht soll es den Studierenden ermöglichen, dass sie am Ende der Einführungsphase über die im Folgenden genannten Kompetenzen verfügen. Die Einführungsphase am Weiterbildungskolleg dient aufgrund des durch diskontinuierliche Lernbiografien bedingten heterogenen Leistungsstands insbesondere auch der Vertiefung grundlegender Fähigkeiten und Fertigkeiten. Im Unterschied zu den verbindlich zu erreichenden Kompetenzerwartungen am Ende der Qualifikationsphase haben daher die Kompetenzerwartungen am Ende der Einführungsphase orientierungsstiftenden Charakter.

Es werden zunächst übergeordnete Kompetenzerwartungen zu allen Kompetenzbe- reichen aufgeführt und im Anschluss zusätzlich inhaltsfeldbezogen konkretisiert. Die an die einzelnen Kompetenzbeschreibungen angefügten Kürzel stellen Beziehungen zu den übergeordneten Kompetenzerwartungen in den beiden Progressionsstufen her (vgl. auch Anhang).

In den Kompetenzbereichen Umgang mit Fachwissen und Erkenntnisgewinnung sind die Formulierungen der übergeordneten Kompetenzen der Einführungsphase gleichlautend mit denen der Qualifikationsphase. Selbstverständlich findet auch hier eine Kompetenzprogression statt. Sie zeigt sich jedoch in der Bewältigung einer kontinuierlich zunehmenden Komplexität fachlicher Zusammenhänge.

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können in Zusammenhängen mit eingegrenzter Komplexität

UF1 Wiedergabe	physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien/Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,
UF2 Auswahl	zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen,
UF3 Systematisierung	physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren,
UF4 Vernetzung	Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen.

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können in Zusammenhängen mit eingegrenzter Komplexität

E1 Probleme und Fragestellungen	in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizieren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen präzisieren,
E2 Wahrnehmung und Messung	kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,
E3 Hypothesen	mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer Überprüfung ableiten,
E4 Untersuchungen und Experimente	Experimente auch mit komplexen Versuchsplänen und Versuchs- aufbauten mit Bezug auf ihre Zielsetzungen erläutern und die- se zielbezogen unter Beachtung fachlicher Qualitätskriterien durchführen,
E5 Auswertung	Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern,
E6 Modelle	Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären oder vorhersagen,
E7 Arbeits- und Denkweisen	naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen.

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

K1 Dokumentation	Fragestellungen, Untersuchungen, Experimente und Daten nach gegebenen Strukturen dokumentieren und stimmig rekonstruieren, auch mit Unterstützung digitaler Werkzeuge,
K2 Recherche	in vorgegebenen Zusammenhängen selbstständig physikalisch- technische Fragestellungen mithilfe von Fachbüchern und anderen Quellen, auch einfachen historischen Texten, bearbeiten,
K3 Präsentation	physikalische Sachverhalte, Arbeitsergebnisse und Erkenntnisse adressatengerecht sowie formal, sprachlich und fachlich korrekt in Kurzvorträgen oder kurzen Fachtexten darstellen,
K4 Argumentation	physikalische Aussagen und Behauptungen mit sachlich fundierten und überzeugenden Argumenten begründen bzw. kritisieren.

BEWERTUNG

Die Studierenden können

B1 Kriterien	bei Bewertungen in naturwissenschaftlich-technischen Zusammenhängen Bewertungskriterien angeben,
B2 Entscheidungen	für Bewertungen in physikalisch-technischen Zusammenhängen kriteriengeleitet Argumente abwägen und einen begründen Standpunkt beziehen,
B3 Werte und Normen	in bekannten Zusammenhängen Konflikte bei Auseinandersetzungen mit physikalisch-technischen Fragestellungen darstellen sowie mögliche Konfliktlösungen aufzeigen.

Die Kompetenzen der Studierenden sollen im Rahmen der Behandlung des im Folgen- den beschriebenen, für die Einführungsphase obligatorischen Inhaltsfelds entwickelt werden.

1 Mechanik

Bezieht man die übergeordneten Kompetenzerwartungen sowie die unten aufgeführten inhaltlichen Schwerpunkte aufeinander, so ergeben sich die nachfolgenden konkretisierten Kompetenzerwartungen.

Inhaltsfeld 1 Mechanik

Inhaltliche Schwerpunkte Kräfte und Bewegungen Energie und Impuls Gravitation	Mögliche Kontexte Straßenverkehr Physik und Sport
Basiskonzept Wechselwirkung	Lineare Bewegungen Newton’sche Gesetze Gravitation
Basiskonzept Energie	Lageenergie, Bewegungsenergie, Arbeit, Energiebilanzen
Basiskonzept Struktur der Materie	Masse

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• die Größen Position, Strecke, Geschwindigkeit, Beschleunigung, Masse, Kraft, Arbeit, Energie und ihre Beziehungen zueinander erläutern (UF2, UF4),
• gleichförmige und gleichmäßig beschleunigte Bewegungen unterscheiden und zugrunde liegende Ursachen erklären (UF2),
• Gravitation als Wechselwirkung zwischen Massen beschreiben (UF2, E6).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• in verschiedenen Kontexten Bewegungen qualitativ und quantitativ analysieren, auch aus einer energetischen Sicht (E1, UF1),
• Bewegungsabläufe und Kraftwirkungen durch graphische Komponentenzerlegung bzw. Vektoraddition gemäß dem Superpositionsprinzip vereinfachen (E1),
• mithilfe des Newton’schen Kraftgesetzes Wirkungen von Kräften auf Bewegungs- zustände berechnen (E6),
• eigenständig Experimente zur Analyse von Bewegungen auswerten und Ergebnis- se und Arbeitsprozesse bewerten (E2, E5, B1),
• Energiebilanzen verwenden, um Bewegungszustände zu erklären sowie Bewegungsgrößen zu berechnen (E3, E6),
• begründet entscheiden, welche Größen bei der Analyse von Bewegungen zu berücksichtigen oder zu vernachlässigen sind (E1, E4),
• mit Messdaten und Diagrammen funktionale Beziehungen (linear und quadratisch) zwischen mechanischen Größen erschließen und überprüfen (E5),
• mechanische Größen mit mathematischen Verfahren und mithilfe digitaler Werk- zeuge bestimmen (E6).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• Arbeitsvorgänge bei der Untersuchung von Bewegungen in Form von Protokollen so beschreiben und dokumentieren, dass sie später auch von anderen Personen nachvollzogen werden können (K1),
• Daten in Tabellen und sinnvoll skalierten Diagrammen (u. a. t-s- und t-v-Diagramme, Vektordiagramme) angemessen präzise darstellen (K1, K3),
• argumentativ Sachaussagen, Behauptungen und Vermutungen zu mechanischen Vorgängen begründen und dabei erarbeitetes Wissen sowie Messergebnisse oder andere objektive Daten heranziehen (K4).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• Kriterien angeben, um die Zuverlässigkeit von Messergebnissen und physikalischen Aussagen zu beurteilen (B1).

2.3 Kompetenzerwartungen und inhaltliche Schwerpunkte bis zum Ende der Qualifikationsphase

Der Unterricht soll es den Studierenden ermöglichen, dass sie – aufbauend auf der Kompetenzentwicklung in der Einführungsphase – am Ende der Qualifikationsphase über die im Folgenden genannten Kompetenzen verfügen. Dabei werden zunächst übergeordnete Kompetenzerwartungen zu allen Kompetenzbereichen aufgeführt und im Anschluss zusätzlich inhaltsfeldbezogen konkretisiert. Die an die einzelnen Kompetenzbeschreibungen angefügten Kürzel stellen Beziehungen zu den übergeordneten Kompetenzerwartungen in den beiden Progressionsstufen her (vgl. auch Anhang).

In den Kompetenzbereichen Umgang mit Fachwissen und Erkenntnisgewinnung sind die Formulierungen der übergeordneten Kompetenzen der Einführungsphase gleichlautend mit denen der Qualifikationsphase. Selbstverständlich findet auch hier eine Kompetenzprogression statt. Sie zeigt sich in der Bewältigung einer kontinuierlich zunehmenden Komplexität fachlicher Zusammenhänge.

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

UF1 Wiedergabe	physikalische Phänomene und Zusammenhänge unter Verwendung von Theorien, übergeordneten Prinzipien, Gesetzen und Basiskonzepten beschreiben und erläutern,
UF2 Auswahl	zur Lösung physikalischer Probleme zielführend Definitionen, Konzepte sowie funktionale Beziehungen zwischen physikalischen Größen angemessen und begründet auswählen,
UF3 Systematisierung	physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse nach fachlichen Kriterien ordnen und strukturieren,
UF4 Vernetzung	Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen natürlichen bzw. technischen Vorgängen auf der Grundlage eines vernetzten physikalischen Wissens erschließen und aufzeigen.

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

E1 Probleme und Fragestellungen	in unterschiedlichen Kontexten physikalische Probleme identifizieren, analysieren und in Form physikalischer Fragestellungen präzisieren,
E2 Wahrnehmung und Messung	kriteriengeleitet beobachten und messen sowie auch komplexe Apparaturen für Beobachtungen und Messungen erläutern und sachgerecht verwenden,
E3 Hypothesen	mit Bezug auf Theorien, Modelle und Gesetzmäßigkeiten auf deduktive Weise Hypothesen generieren sowie Verfahren zu ihrer Überprüfung ableiten,
E4 Untersuchungen und Experimente	Experimente auch mit komplexen Versuchsplänen und Versuchs- aufbauten, auch historisch bedeutsame Experimente, mit Bezug auf ihre Zielsetzungen erläutern und diese zielbezogen unter Beachtung fachlicher Qualitätskriterien durchführen,
E5 Auswertung	Daten qualitativ und quantitativ im Hinblick auf Zusammenhänge, Regeln oder mathematisch zu formulierende Gesetzmäßigkeiten analysieren und Ergebnisse verallgemeinern,
E6 Modelle	Modelle entwickeln sowie physikalisch-technische Prozesse mithilfe von theoretischen Modellen, mathematischen Modellierungen, Gedankenexperimenten und Simulationen erklären oder vorhersagen,
E7 Arbeits- und Denkweisen	naturwissenschaftliches Arbeiten reflektieren sowie Veränderungen im Weltbild und in Denk- und Arbeitsweisen in ihrer historischen und kulturellen Entwicklung darstellen.

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

K1 Dokumentation	bei der Dokumentation von Untersuchungen, Experimenten, theoretischen Überlegungen und Problemlösungen eine korrekte Fachsprache und fachübliche Darstellungsweisen verwenden,
K2 Recherche	zu physikalischen Fragestellungen relevante Informationen und Daten in verschiedenen Quellen, auch in ausgewählten wissenschaftlichen Publikationen, recherchieren, auswerten und vergleichend beurteilen,
K3 Präsentation	physikalische Sachverhalte und Arbeitsergebnisse unter Verwendung situationsangemessener Medien und Darstellungsformen adressatengerecht präsentieren,
K4 Argumentation	sich mit anderen über physikalische Sachverhalte und Erkenntnisse kritisch-konstruktiv austauschen und dabei Behauptungen oder Beurteilungen durch Argumente belegen bzw. widerlegen.

BEWERTUNG

Die Studierenden können

B1 Kriterien	fachliche, wirtschaftlich-politische und ethische Kriterien bei Bewertungen von physikalischen oder technischen Sachverhalten unterscheiden und begründet gewichten,
B2 Entscheidungen	Auseinandersetzungen und Kontroversen in physikalisch-technischen Zusammenhängen differenziert aus verschiedenen Perspektiven darstellen und eigene Standpunkte auf der Basis von Sachargumenten vertreten,
B3 Werte und Normen	an Beispielen von Konfliktsituationen mit physikalisch-techni- schen Hintergründen kontroverse Ziele und Interessen sowie die Folgen wissenschaftlicher Forschung aufzeigen und bewerten,
B4 Möglichkeiten und Grenzen	begründet die Möglichkeiten und Grenzen physikalischer Problemlösungen und Sichtweisen bei innerfachlichen, naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Fragestellungen bewerten.

2.3.1 Grundkurs

Die Kompetenzen der Studierenden sollen im Rahmen der Behandlung der nachfolgenden, für den Grundkurs obligatorischen Inhaltsfelder entwickelt werden. Die unten angegebenen Inhaltsfelder betonen, orientiert an Schlüsselexperimenten, einen exemplarischen Weg durch die Physik und stellen moderne Fragestellungen der Physik in den Vordergrund.

2 Quantenobjekte

3 Elektrodynamik

4 Strahlung und Materie

5 Relativität von Raum und Zeit

Bezieht man die übergeordneten Kompetenzerwartungen sowie die unten aufgeführten inhaltlichen Schwerpunkte aufeinander, so ergeben sich die nachfolgenden konkretisierten Kompetenzerwartungen.

Inhaltsfeld 2 Quantenobjekte

Inhaltliche Schwerpunkte Elektron und Photon (Teilchenaspekt, Wellenaspekt) Quantenobjekte und ihre Eigenschaften	Mögliche Kontexte Erforschung des Elektrons Erforschung des Photons
Basiskonzept Wechselwirkung	Bewegung von Ladungsträgern in homogenen E - und B-Feldern, Lorentzkraft Lichtwellenlänge, Lichtfrequenz Huygens’sches Prinzip und Wellenausbreitung, Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz Streuung von Elektronen an Festkörpern, De-Broglie- Wellenlänge Licht und Materie
Basiskonzept Energie	Energie bewegter Elektronen Quantelung der Energie von Licht, Austrittsarbeit
Basiskonzept Struktur der Materie	Elementarladung Elektronenmasse Photonen als Quantenobjekt Elektronen als Quantenobjekt

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder beschreiben und deren Definitionsgleichungen erläutern (UF2, UF1),
• bei einer gleichförmigen Kreisbewegung von Ladungsträgern die Wirkung der Zentralkraft erläutern und ihre Richtung und Größe quantitativ bestimmen (UF1),
• anhand einer vereinfachten Version des Millikanversuchs die grundlegenden Ideen und Ergebnisse zur Bestimmung der Elementarladung erläutern (UF1, E5),
• die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungsträgers nach Durchlaufen einer elektrischen Spannung bestimmen (UF2),
• die Größe Impuls für klassische Teilchen und für Quantenobjekte erläutern und berechnen (UF1, UF2),
• die Aussage der De-Broglie-Hypothese erläutern, diese zur Erklärung des Beugungsbildes beim Elektronenbeugungsexperiment anwenden und die Wellenlänge der Elektronen bestimmen (UF1, UF2, E4).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• am Beispiel der Quantenobjekte Elektron und Photon die Bedeutung von Modellen als grundlegende Erkenntniswerkzeuge in der Physik erläutern (E6, E7),
• Vorgänge im Fadenstrahlrohr (Energie der Elektronen, Lorentzkraft) mathematisch modellieren, Parameter variieren und dafür deduktiv Schlussfolgerungen herleiten, die sich experimentell überprüfen lassen, sowie die Elektronenmasse ermitteln (E6, E3, E5),
• Wellenlängen und Frequenzen von Licht mit Doppelspalt und Gitter bestimmen (E5, E6),
• anhand eines Experiments zum äußeren Photoeffekt den Quantencharakter von Licht nachweisen und in diesem Zusammenhang die Energie, Wellenlänge und Frequenz der Photonen sowie die Austrittsarbeit der Elektronen bestimmen (E5, E2),
• ergänzend zum Realexperiment das Verhalten von Quantenobjekten mit Computersimulationen untersuchen (E6).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• mithilfe der Wellenwanne auf Grundlage des Huygens’schen Prinzips Kreiswellen, ebene Wellen sowie die Phänomene Beugung, Interferenz, Reflexion und Brechung unter Verwendung von Fachbegriffen qualitativ veranschaulichen (K3),
• die Wahrscheinlichkeitsinterpretation für Quantenobjekte unter Verwendung geeigneter Darstellungen verdeutlichen (Graphiken, Simulationsprogramme) (K3).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• an Beispielen die Grenzen und Gültigkeitsbereiche von Wellen- und Teilchenmodellen für Licht und Elektronen aufzeigen (B4, K4),
• die Kontroverse um die Kopenhagener Deutung und den Welle-Teilchen-Dualismus beschreiben und diskutieren (B4, K4).

Inhaltsfeld 3 Elektrodynamik

Inhaltliche Schwerpunkte Spannung und elektrische Energie Induktion Spannungswandlung	Mögliche Kontexte Energieversorgung und Transport mit Generatoren und Transformatoren Wirbelströme im Alltag
Basiskonzept Wechselwirkung	Elektromagnetische Induktion Induktionsspannung Transformator Lenz’sche Regel
Basiskonzept Energie	Erzeugung von sinusförmigen Wechselspannungen Energieerhaltung Ohm’sche „Verluste“

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• den Einfluss und die Anwendung physikalischer Grundlagen in Lebenswelt und Technik am Beispiel der Bereitstellung und Weiterleitung elektrischer Energie aufzeigen (UF4),
• die Spannung als Verhältnis von Energie und Ladung definieren und damit Energien bei elektrischen Leitungsvorgängen bestimmen (UF2),
• die relative Orientierung von Bewegungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeldrichtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe einer Drei-Finger-Regel bestimmen (UF2, E6),
• am Beispiel der Leiterschaukel das Auftreten einer Induktionsspannung durch die Wirkung der Lorentzkraft auf bewegte Ladungsträger erläutern (UF1, E6),
• Induktionserscheinungen an einer Leiterschleife qualitativ auf die beiden grundlegenden Ursachen „zeitlich veränderliches Magnetfeld“ bzw. „zeitlich veränderliche (effektive) Fläche“ zurückführen (UF3, UF4),
• die Übersetzungsverhältnisse von Spannung und Stromstärke beim Transformator ermitteln (UF1, UF2).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• anhand des Thomson´schen Ringversuchs die Lenz´sche Regel erläutern (E5, UF4),
• das Entstehen sinusförmiger Wechselspannungen in Generatoren erläutern (E2, E6),
• Parameter von Transformatoren zur gezielten Veränderung einer elektrischen sinusförmigen Wechselspannung angeben (E4),
• Messdaten, die mit einem Oszilloskop bzw. mit einem Messwerterfassungssystem gewonnen wurden, im Hinblick auf Zeiten, Frequenzen und Spannungen auswerten (E2, E5).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• ein physikalisches Modellexperiment zu Freileitungen verwenden, um technologische Prinzipien der Bereitstellung und Weiterleitung von elektrischer Energie zu demonstrieren und zu erklären (K3),
• Zielsetzungen, Aufbauten und Ergebnisse von Experimenten im Bereich Elektrodynamik adressatenbezogen jeweils sprachlich angemessen und verständlich erläutern (K3).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• bei technischen Prozessen das Auftreten erwünschter bzw. nicht erwünschter Wirbelströme bewerten (B1),
• die Notwendigkeit eines geeigneten Transformierens der Wechselspannung für die effektive Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen bewerten (B1),
• Vor- und Nachteile verschiedener Möglichkeiten zur Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen beurteilen (B2, B1, B4).

Inhaltsfeld 4 Strahlung und Materie

Inhaltliche Schwerpunkte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung Energiequantelung in der Atomhülle Ionisierende Strahlung Kernumwandlung Standardmodell der Elementarteilchen	Mögliche Kontexte Erforschung des Mikro- und Makrokosmos Mensch und Strahlung Forschung mit Teilchenbeschleunigern
Basiskonzept Wechselwirkung	Quantenhafte Emission und Absorption von Photonen Detektoren Biologische Wirkung ionisierender Strahlung (Virtuelles) Photon als Austauschteilchen der elektromagnetischen Wechselwirkung Konzept der Austauschteilchen vs. Feldkonzept
Basiskonzept Energie	Linienspektren, Energieniveaus der Atomhülle, Quantelung der Energie Dosimetrie Energieaufnahme im menschlichen Gewebe
Basiskonzept Struktur der Materie	Kern-Hülle-Modell Strahlungsarten Elementumwandlung Röntgenstrahlung Kernbausteine und Elementarteilchen

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• Spektren von Sternen und Fraunhoferlinien erklären (UF1, E5, K2),
• die Energie absorbierter und emittierter Photonen mit den unterschiedlichen Energieniveaus in der Atomhülle erklären (UF1, E6),
• α-, β-, γ-Strahlung und Röntgenstrahlung sowie Neutronen- und Schwerionenstrahlung unterscheiden (UF3),
• den Aufbau und die Funktionsweise von Nachweisgeräten für ionisierende Strahlung (Geiger-Müller-Zählrohr) erläutern und Halbwertszeiten und Zählraten bestimmen (UF1, E2),
• den Begriff Radioaktivität erläutern und zugehörige Kernumwandlungsprozesse beschreiben (UF1, K1),
• Wirkungen von ionisierender und elektromagnetischer Strahlung auf Materie und lebende Organismen beschreiben (UF1),
• mithilfe des aktuellen Standardmodells den Aufbau der Kernbausteine erläutern (UF3, E6),
• an einfachen Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell erklären (UF1).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• Modelle zur Struktur von Atomen und Materiebausteinen erläutern und vergleichen (E6, UF3, B4),
• den Nachweis von unterschiedlichen Arten ionisierender Strahlung mithilfe von einfachen Absorptionsexperimenten erläutern (E4, E5),
• die Bedeutung von Flammenfärbung und Linienspektren bzw. Spektralanalyse, die Ergebnisse des Franck-Hertz-Versuches sowie die charakteristischen Röntgenspektren für die Entwicklung von Modellen der diskreten Energiezustände von Elektronen in der Atomhülle erläutern (E2, E5, E6, E7),
• darstellen, wie mit spektroskopischen Methoden Informationen über den Aufbau und die Entfernung von Sternen gewonnen werden können (E2, K1),
• in Grundprinzipien das Modell des Photons als Austauschteilchen für die elektro- magnetische Wechselwirkung exemplarisch für fundamentale Wechselwirkungen mit dem Modell des Feldes vergleichen (E6).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• Spektraltafeln des Sonnenspektrums im Hinblick auf die in der Sonnen- und Erdatmosphäre vorhandenen Stoffe interpretieren (K3, K1),
• in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen zu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Elementarteilchenphysik recherchieren (K2).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• an ausgewählten Beispielen Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Erkenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik bewerten (B1, B3),
• Gefahren und Nutzen der Anwendung von ionisierender Strahlung bewerten (B3, B4).

Inhaltsfeld 5 Relativität von Raum und Zeit

Inhaltliche Schwerpunkte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Zeitdilatation Veränderlichkeit der Masse Energie-Masse-Äquivalenz	Mögliche Kontexte Navigationssysteme Teilchenbeschleuniger
Basiskonzepte Wechselwirkung, Energie, Struktur der Materie	Raum und Zeit „Schnelle“ Ladungsträger in E - und B-Feldern Ruhemasse und dynamische Masse

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• das Michelson-Morley-Experiment als ein Indiz für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit interpretieren (UF4),
• die Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie erläutern (UF1),
• mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze für Geschwindigkeiten von Objekten begründen, dass eine additive Überlagerung von Geschwindigkeiten nur für „kleine“ Geschwindigkeiten gilt (UF2),
• die Energie-Masse-Äquivalenz erläutern (UF1).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• anschaulich mit der Lichtuhr grundlegende Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie erklären und quantitativ die Formel für die Zeitdilatation ermitteln (E6, E7),
• qualitativ den Myonenzerfall in der Erdatmosphäre als experimentellen Beleg für die von der Relativitätstheorie vorhergesagte Zeitdilatation bzw. Längenkontraktion erläutern (E5, UF1).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• die relativistische Längenkontraktion über eine Plausibilitätsbetrachtung erläutern (K3),
• die Funktionsweise eines Zyklotrons erläutern und zu den Grenzen einer Verwendung zur Beschleunigung von Ladungsträgern bei Berücksichtigung relativistischer Effekte argumentieren (K4, UF4),
• Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen beschreiben (K3).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• die Bedeutung von Schlüsselexperimenten bei physikalischen Paradigmenwechseln an Beispielen aus der Relativitätstheorie diskutieren (B4, E7),
• die Bedeutung der Beziehung E=mc² für die Kernspaltung und Kernfusion bewerten (B1, B3).

2.3.2 Leistungskurs

Die Kompetenzen der Studierenden sollen im Rahmen der Behandlung der nachfolgenden, für den Leistungskurs obligatorischen Inhaltsfelder entwickelt werden:

2 Relativitätstheorie

3 Elektrik

4 Quantenphysik

5 Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik

Bezieht man die zu Beginn des Kapitels 2.3 beschriebenen übergeordneten Kompetenzerwartungen sowie die unten aufgeführten inhaltlichen Schwerpunkte aufeinander, so ergeben sich die nachfolgenden konkretisierten Kompetenzerwartungen.

Inhaltsfeld 2 Relativitätstheorie

Inhaltliche Schwerpunkte Konstanz der Lichtgeschwindigkeit Problem der Gleichzeitigkeit Zeitdilatation und Längenkontraktion Relativistische Massenzunahme Energie-Masse-Beziehung	Mögliche Kontexte Gedankenexperimente in der Relativitätstheorie („Mit einem fast lichtschnellen Fahrrad durch die Stadt“) Höhenstrahlung Satellitennavigation
Basiskonzepte Wechselwirkung, Energie, Struktur der Materie	Inertialsysteme Gegenseitige Bedingung von Raum und Zeit Ruhemasse und dynamische Masse Annihilation

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• mit dem Ausgang des Michelson-Morley-Experiments die Hypothese von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit belegen (UF4, E5, E6),
• die Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit als Ausgangspunkt für die Entwicklung der speziellen Relativitätstheorie erläutern (UF1),
• die relativistischen Phänomene Zeitdilatation und Längenkontraktion anhand des Nachweises von in der oberen Erdatmosphäre entstehenden Myonen erläutern (UF1),
• das Problem der relativen Gleichzeitigkeit mit in zwei verschiedenen Inertialsystemen jeweils synchronisierten Uhren erläutern (UF2),
• die Energie-Masse-Beziehung erläutern (UF1),
• die relativistische kinetische Energie von Teilchen mithilfe der Energie-Masse- Beziehung berechnen (UF2),
• qualitativ den Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung beschreiben (UF4),
• die Bedeutung der Energie-Masse-Äquivalenz hinsichtlich der Annihilation von Teilchen und Antiteilchen beschreiben (UF4),
• mit der Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze für Geschwindigkeiten von Objekten Auswirkungen auf die additive Überlagerung von Geschwindigkeiten begründen (UF2).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• mithilfe der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und des Modells Lichtuhr quantitativ die Formel für die Zeitdilatation herleiten (E5),
• den Ansatz zur Herleitung der Längenkontraktion begründen (E6),
• den bei der Annihilation von Teilchen und Antiteilchen frei werdenden Energiebe- trag bestimmen und bewerten (E7, B1).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• auf der Grundlage historischer Dokumente ein Experiment (Bertozzi-Versuch) zum Nachweis der relativistischen Massenzunahme erläutern (K2, K3),
• Konsequenzen der relativistischen Einflüsse auf Raum und Zeit anhand anschaulicher und einfacher Abbildungen beschreiben (K3),
• mithilfe eines einfachen gegenständlichen Modells den durch die Einwirkung von massebehafteten Körpern hervorgerufenen Einfluss der Gravitation auf die Zeitmessung veranschaulichen (K3).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• die Bedeutung der Beziehung E=mc² für Erforschung und technische Nutzung von Kernspaltung und Kernfusion beurteilen (B1, B3),
• Auswirkungen der Relativitätstheorie auf die Veränderung des physikalischen Weltbilds bewerten (B4).

Inhaltsfeld 3 Elektrik

Inhaltliche Schwerpunkte Eigenschaften elektrischer Ladungen und ihrer Felder Bewegung von Ladungsträgern in elektrischen und magnetischen Feldern Elektromagnetische Induktion Elektromagnetische Schwingungen und Wellen	Mögliche Kontexte Untersuchung von Elektronen Erzeugung, Verteilung und Bereitstellung elektrischer Energie Drahtlose Nachrichtenübermittlung Elektromagnetische Phänomene in elektrotechnischen Geräten
Basiskonzept Wechselwirkung	Ladungstrennung, elektrische und magnetische Felder, Feldlinien Bewegung von Ladungsträgern in Feldern „Schnelle“ Ladungsträger in E - und B-Feldern Auf- und Entladung von Kondensatoren Induktionsvorgänge, Induktionsgesetz Lenz’sche Regel Elektromagnetische Schwingung im RLC-Kreis Entstehung und Ausbreitung elektromagnetischer Wellen Licht und Mikrowellen – Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz, Huygens’sches Prinzip
Basiskonzept Energie	Potentielle Energie im elektrischen Feld, Spannung, Kondensator Energie des elektrischen und des magnetischen Feldes Energie bewegter Ladungsträger Energieumwandlungsprozesse im RLC-Kreis Energietransport und Informationsübertragung durch elektromagnetische Wellen
Basiskonzept Struktur der Materie	Ladungsträger, Elementarladung Elektronenmasse

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• elektrostatische Phänomene und Influenz mithilfe grundlegender Eigenschaften elektrischer Ladungen erklären (UF2, E6),
• Eigenschaften und Wirkungen homogener elektrischer und magnetischer Felder beschreiben und die Definitionsgleichungen der entsprechenden Feldstärken erläutern (UF2, UF1),
• den Feldbegriff erläutern, indem sie Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen elektrischem und magnetischem Feld aufzeigen (UF3, E6),
• Definitionsgleichungen zusammengesetzter physikalischer Größen sowie physikalische Gesetze (u. a. Coulomb’sches Gesetz, Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld, Lorentzkraft, Spannung im homogenen E -Feld) problembe- zogen auswählen (UF2),
• bei einer gleichförmigen Kreisbewegung die Wirkung der Zentralkraft erläutern und ihre Richtung und Größe quantitativ bestimmen (UF1),
• die relative Orientierung von Bewegungsrichtung eines Ladungsträgers, Magnetfeldrichtung und resultierender Kraftwirkung mithilfe einer Drei-Finger-Regel bestimmen (UF2, E6),
• die in elektrischen bzw. magnetischen Feldern gespeicherte Energie (Kondensator, Spule) ermitteln (UF2),
• qualitativ die Erzeugung eines Elektronenstrahls in einer Elektronenstrahlröhre beschreiben (UF1, K3),
• die Geschwindigkeitsänderung eines Ladungsträgers nach Durchlaufen einer Spannung (auch relativistisch) ermitteln (UF2, UF4, B1),
• die Richtungen von Induktionsströmen mithilfe der Lenz’schen Regel bestimmen (UF2, UF4, E6),
• qualitativ die bei einer ungedämpften elektromagnetischen Schwingung in der Spule und am Kondensator ablaufenden physikalischen Prozesse erläutern (UF1, UF2),
• den Schwingvorgang im RLC-Kreis qualitativ als Energieumwandlungsprozess beschreiben und wesentliche Ursachen für die Dämpfung benennen (UF1, UF2, E5),
• den Hertz’schen Dipol als einen (offenen) Schwingkreis beschreiben (UF1, UF2, E6),
• qualitativ die Entstehung eines elektrischen bzw. magnetischen Wirbelfelds bei B- bzw. E -Feldänderung und die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle erläutern (UF1, UF4, E6),
• qualitativ die lineare Ausbreitung harmonischer Wellen als räumlich und zeitlich periodischen Vorgang beschreiben (UF1, E6),
• die Phänomene Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz im Wellenmodell beschreiben und sie qualitativ mithilfe des Huygens’schen Prinzips begründen (UF1, E6).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• Ladungs- und Entladungsvorgänge in Kondensatoren bei vorgegebenen Lösungsansätzen qualitativ und quantitativ beschreiben (E4, E5, E6),
• physikalische Gesetze (u. a. die im homogenen elektrischen Feld gültige Beziehung zwischen Spannung und Feldstärke und den Term für die Lorentzkraft) aus geeigneten Definitionen und bekannten Gesetzen deduktiv herleiten (E6, UF2),
• mathematische Methoden zur Darstellung und Auswertung von Messwerten im Bereich der Elektrik auswählen, anwenden und die Güte der Messergebnisse bewerten (E5, B4),
• die Bewegung von Ladungsträgern in homogenen elektrischen und magnetischen Feldern sowie auch in gekreuzten Feldern (u. a. Wien-Filter, Hall-Effekt) qualitativ und quantitativ beschreiben (E1, E2, E3, E4, E5, UF1, UF4),
• den Einfluss der relativistischen Massenzunahme auf die Bewegung geladener Teilchen im Zyklotron erläutern (E6, UF4),
• aus spezifischen Bahnkurvendaten bei der e/m-Bestimmung und beim Massenspektrometer auf wirkende Kräfte sowie Eigenschaften von Feldern und bewegten Ladungsträgern schließen (E5, UF2),
• das Auftreten einer Induktionsspannung auf die zeitliche Änderung der von einem Leiter überstrichenen gerichteten Fläche in einem Magnetfeld zurückführen (bei der Erzeugung einer Wechselspannung) (E6),
• Induktionsvorgänge aufgrund der zeitlichen Änderung der magnetischen Feldgröße B in Anwendungs- und Alltagssituationen identifizieren (E1, E6, UF4),
• Experimente zum Nachweis der Teilaussagen des Induktionsgesetzes erläutern und interpretieren (E2, E4, E5),
• die Lenz’sche Regel mithilfe des Energie- und des Wechselwirkungskonzeptes begründen (E6, K4),
• die Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen erläutern sowie aussagekräftige Diagramme erstellen und diese auswerten (E2, E4, E5, B1),
• die Interferenz an Doppelspalt und Gitter im Wellenmodell beschreiben und die entsprechenden Terme für die Lage der jeweiligen Maxima n-ter Ordnung herleiten (E6, UF1, UF2),
• auf der Grundlage von Brechungs-, Beugungs- und Interferenzerscheinungen (mit Licht- und Mikrowellen) die Wellenlängen und die Lichtgeschwindigkeit ermitteln (E2, E4, E5).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• die Aussagen, Idealisierungen und Grenzen von Feldlinienmodellen erläutern und veranschaulichen, Feldlinienmodelle zur Veranschaulichung typischer Felder nutzen und Feldlinienbilder interpretieren (K3, E6, B4),
• bei Variation mehrerer Parameter Tabellen und Diagramme zur Darstellung von Messwerten aus dem Bereich der Elektrik erstellen (K1, K3, UF3),
• konstruktive und destruktive Interferenz sowie die entsprechenden Bedingungen mithilfe geeigneter Darstellungen erläutern (K3, UF1).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• im Bereich Elektrik Entscheidungen für die Auswahl von Messgeräten (Empfindlichkeit, Genauigkeit, Auflösung und Messrate) im Hinblick auf eine vorgegebene Problemstellung treffen (B1),
• für Problemstellungen aus der Elektrik entscheiden, ob ein deduktives oder ein experimentelles Vorgehen sinnvoller ist (B4, UF2, E1).

Inhaltsfeld 4 Quantenphysik

Inhaltliche Schwerpunkte Licht und Elektronen als Quantenobjekte Welle-Teilchen-Dualismus und Wahrscheinlichkeitsinterpretation Quantenphysik und klassische Physik	Mögliche Kontexte Von klassischen Vorstellungen zur Quantenphysik Die Welt kleinster Dimensionen: Mikroobjekte und Quantentheorie
Basiskonzept Wechselwirkung	Lichtelektrischer Effekt, Lichtquantenhypothese Röntgenstrahlung Streuung und Beugung von Elektronen
Basiskonzept Energie	Lichtquanten Planck’sches Wirkungsquantum Energiewerte im linearen Potentialtopf
Basiskonzept Struktur der Materie	Teilcheneigenschaften von Photonen Wellencharakter von Elektronen De-Broglie-Hypothese Wellenfunktion und Aufenthaltswahrscheinlichkeit Heisenberg’sche Unschärferelation

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• die qualitativen Vorhersagen der klassischen Elektrodynamik zur Energie von Photoelektronen (bezogen auf die Frequenz und Intensität des Lichts) erläutern (UF2, E3),
• den Aufbau einer Röntgenröhre beschreiben (UF1),
• anhand geeigneter Phänomene darstellen, wann Licht durch ein Wellenmodell bzw. ein Teilchenmodell beschrieben werden kann (UF1, K3),
• bei Quantenobjekten das Auftreten oder Verschwinden eines Interferenzmusters mit dem Begriff der Komplementarität erläutern (UF1, E3),
• die Größe Impuls für klassische Teilchen und für Quantenobjekte erläutern und berechnen (UF1, UF2),
• die De-Broglie-Hypothese am Beispiel von Elektronen erklären (UF1), ?
• das Quadrat der Wellenfunktion qualitativ als Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Elektronen deuten (UF1, UF4),
• die Aussagen und die Konsequenzen der Heisenberg´schen Unschärferelation (Ort – Impuls, Energie – Zeit) an Beispielen erläutern (UF1, K3),
• die Wellenlänge und die Energiewerte von im linearen Potentialtopf gebundenen Elektronen ermitteln (UF2, E6).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• den Widerspruch der experimentellen Befunde zum Photoeffekt zur klassischen Physik erläutern und zur Erklärung die Einstein’sche Lichtquantenhypothese nutzen (E6, E1),
• aus den experimentellen Daten eines Versuchs zum Photoeffekt das Planck´sche Wirkungsquantum ermitteln (E5, E6),
• die Entstehung der kurzwelligen Röntgenstrahlung als Umkehrung des Photoeffekts deuten (E6),
• die Bragg-Reflexion an einem Einkristall erläutern und die Bragg’sche Reflexionsbedingung herleiten (E6),
• am Beispiel des Photoeffekts und seiner Deutung darlegen, dass neue physikalische Experimente und Phänomene zur Veränderung des physikalischen Weltbildes bzw. zur Erweiterung oder Neubegründung physikalischer Theorien und Modelle führen können (E7),
• experimentelle Beobachtungen an der Elektronenbeugungsröhre mit den Welleneigenschaften von Elektronen interpretieren (E1, E5, E6),
• die Bedeutung von Gedankenexperimenten und Simulationsprogrammen zur Erkenntnisgewinnung bei der Untersuchung von Quantenobjekten erläutern (E6, E7).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• Aufbau und Funktionsweise von komplexen Versuchsaufbauten (zur h-Bestimmung und zur Elektronenbeugung) beschreiben und erläutern (K3, K2),
• das Versagen der klassischen Modelle bei der Deutung quantenphysikalischer Prozesse diskutieren und begründen (K4, E6).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• den Einfluss der Quantenphysik im Hinblick auf Veränderungen des Weltbildes und auf Grundannahmen zur physikalischen Erkenntnis bewerten (B4, E7).

Inhaltsfeld 5 Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik

Inhaltliche Schwerpunkte Atomaufbau Ionisierende Strahlung Radioaktiver Zerfall Kernspaltung und Kernfusion Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen	Mögliche Kontexte Geschichte der Atommodelle Lichtquellen und ihr Licht Physik in der Medizin (Bildgebende Verfahren, Radiologie) (Erdgeschichtliche) Altersbestimmungen Energiegewinnung durch nukleare Prozesse Forschung an Teilchenbeschleunigern
Basiskonzept Wechselwirkung	Kernkräfte Kettenreaktion Austauschteilchen der fundamentalen Wechselwirkungen Konzept der Austauschteilchen vs. Feldkonzept
Basiskonzept Energie	Linienspektren Energiequantelung der Hüllelektronen Dosimetrie Bindungsenergie Äquivalenz von Masse und Energie
Basiskonzept Struktur der Materie	Kern-Hülle-Modell Bohr’sche Postulate Strahlungsarten Zerfallsprozesse Massendefekt Kernmodelle, Kernbausteine und Elementarteilchen

UMGANG MIT FACHWISSEN

Die Studierenden können

• wesentliche Schritte in der historischen Entwicklung der Atommodelle bis hin zum Kern-Hülle-Modell wiedergeben (UF1),
• Protonen und Neutronen als Kernbausteine benennen, Isotope identifizieren und den Aufbau einer Nuklidkarte erläutern (UF1),
• natürliche Zerfallsreihen sowie künstlich herbeigeführte Kernumwandlungsprozesse mithilfe der Nuklidkarte identifizieren (UF2),
• die Ablenkbarkeit von ionisierenden Strahlen in elektrischen und magnetischen Feldern sowie die Ionisierungsfähigkeit und Durchdringungsfähigkeit mit ihren Eigenschaften erklären (UF3),
• die C14-Methode zur Altersbestimmung von Materialien als Anwendung des Zerfallsgesetzes erläutern (UF4),
• das Absorptionsgesetz für Gamma-Strahlung erläutern, auch für verschiedene Energien (UF3),
• die Entstehung des Bremsspektrums und des charakteristischen Spektrums der Röntgenstrahlung erklären (UF1),
• die physikalischen Grundlagen von Röntgenaufnahmen und Szintigrammen als bildgebende Verfahren darstellen (UF4),
• Kernspaltung und Kernfusion unter Berücksichtigung von Bindungsenergien (quantitativ über den Massendefekt) und Kernkräften (qualitativ) beschreiben (UF4),
• die Systematik des Aufbaus von Materie aus Elementarteilchen mithilfe des Standardmodells beschreiben (UF3),
• an Beispielen Teilchenumwandlungen im Standardmodell mithilfe der Heisenberg’schen Unschärferelation und der Energie-Masse-Äquivalenz beschreiben (UF1).

ERKENNTNISGEWINNUNG

Die Studierenden können

• Linienspektren in Emission und Absorption sowie den Franck-Hertz-Versuch mit der Energiequantelung in der Atomhülle erklären (E5),
• die Bedeutung des Franck-Hertz-Versuchs und der Experimente zu Linienspektren in Bezug auf die historische Bedeutung des Bohr’schen Atommodells darstellen (E7),
• Geiger-Müller-Zählrohr und Halbleiterdetektor als experimentelle Nachweismöglichkeit für ionisierende Strahlung benennen und diese hinsichtlich ihrer Möglichkeiten zur Messung der Energie unterscheiden (E6),
• Experimente zur Bestimmung der Halbwertszeit radioaktiver Substanzen beschrei- ben (E4, E5),
• das Gesetz für den radioaktiven Zerfall aus experimentellen Daten herleiten und mit diesem einen Term für die Halbwertszeit bestimmen (E4, E5, E6),
• die Entstehung einer Kettenreaktion als relevantes Merkmal für einen selbstablaufenden Prozess im Nuklearbereich erläutern (E6),
• die Eigenschaften der Austauschteilchen in Beziehung zu den fundamentalen Wechselwirkungen (Vermittlung, Stärke und Reichweite) setzen (E6).

KOMMUNIKATION

Die Studierenden können

• Hilfsmittel nutzen, um bei radioaktiven Zerfällen den funktionalen Zusammenhang zwischen Zeit und Abnahme der Stoffmenge sowie der Aktivität radioaktiver Substanzen zu ermitteln (K3),
• in allgemein verständlicher Form bedeutsame Größen der Dosimetrie (Aktivität, Energie- und Äquivalentdosis) erläutern, auch hinsichtlich der Vorschriften zum Strahlenschutz (K3),
• in Fachzeitschriften, Zeitungsartikeln bzw. Veröffentlichungen von Forschungseinrichtungen zu ausgewählten aktuellen Entwicklungen in der Elementarteilchenphysik recherchieren (K2).

BEWERTUNG

Die Studierenden können

• Rollen und Beiträge von Physikerinnen und Physikern zu Erkenntnissen in der Kern- und Elementarteilchenphysik an ausgewählten Beispielen bewerten (B1, B3),
• den Massendefekt hinsichtlich seiner Bedeutung für die Gewinnung von Energie bewerten (B1),
• Nutzen und Risiken ionisierender Strahlung unter verschiedenen Aspekten beurteilen (B4),
• Nutzen und Risiken von Kernspaltung und Kernfusion anhand verschiedener Kriterien beurteilen (B4).