Sachkompetenz

erklären Phänomene unter Nutzung bekannter physikalischer Modelle und Theorien; erläutern Gültigkeitsbereiche von Modellen und Theorien und beschreiben deren Aussage- und Vorhersagemöglichkeiten; wählen aus bekannten Modellen bzw. Theorien geeignete aus, um sie zur Lösung physikalischer Probleme zu nutzen. bauen Versuchsanordnungen auch unter Verwendung von digitalen Messwerterfassungssystemen nach Anleitungen auf, führen Experimente durch und protokollieren ihre Beobachtungen; erklären bekannte Messverfahren sowie die Funktion einzelner Komponenten eines Versuchsaufbaus; erklären bekannte Auswerteverfahren und wenden sie auf Messergebnisse an; wenden bekannte mathematische Verfahren auf physikalische Sachverhalte an. Stützung der Hypothese sowie zur Beantwortung der Fragestellung.

Erkenntnisgewinnungskompetenz

identifizieren und entwickeln Fragestellungen zu physikalischen Sachverhalten; stellen theoriegeleitet Hypothesen zur Bearbeitung von Fragestellungen auf. beurteilen die Eignung von Untersuchungsverfahren zur Prüfung bestimmter Hypothesen; modellieren Phänomene physikalisch, auch mithilfe mathematischer Darstellungen und digitaler Werkzeuge, wobei sie theoretische Überlegungen und experimentelle Erkenntnisse aufeinander beziehen; planen geeignete Experimente und Auswertungen zur Untersuchung einer physikalischen Fragestellung. erklären mithilfe bekannter Modelle und Theorien die in erhobenen oder recherchierten Daten gefundenen Strukturen und Beziehungen; berücksichtigen Messunsicherheiten und analysieren die Konsequenzen für die Interpretation des Ergebnisses; beurteilen die Eignung physikalischer Modelle und Theorien für die Lösung von Problemen; reflektieren die Relevanz von Modellen, Theorien, Hypothesen und Experimenten für die physikalische Erkenntnisgewinnung. beziehen theoretische Überlegungen und Modelle zurück auf Alltagssituationen und reflektieren ihre Generalisierbarkeit; reflektieren Möglichkeiten und Grenzen des konkreten Erkenntnisgewinnungsprozesses sowie der gewonnenen Erkenntnisse (z. B. Reproduzierbarkeit, Falsifizierbarkeit, Intersubjektivität, logische Konsistenz, Vorläufigkeit).

Kommunikationskompetenz

recherchieren zu physikalischen Sachverhalten zielgerichtet in analogen und digitalen Medien und wählen für ihre Zwecke passende Quellen aus; prüfen verwendete Quellen hinsichtlich der Kriterien Korrektheit, Fachsprache und Relevanz für den untersuchten Sachverhalt; entnehmen unter Berücksichtigung ihres Vorwissens aus Beobachtungen, Darstellungen und Texten relevante Informationen und geben diese in passender Struktur und angemessener Fachsprache wieder. formulieren unter Verwendung der Fachsprache chronologisch und kausal korrekt strukturiert; wählen ziel-, sach- und adressatengerecht geeignete Schwerpunkte für die Inhalte von Präsentationen, Diskussionen oder anderen Kommunikationsformen aus; veranschaulichen Informationen und Daten in ziel-, sach- und adressatengerechten Darstellungsformen, auch mithilfe digitaler Werkzeuge; präsentieren physikalische Sachverhalte sowie Lern- und Arbeitsergebnisse sach-, adressaten- und situationsgerecht unter Einsatz geeigneter analoger und digitaler Medien. nutzen ihr Wissen über aus physikalischer Sicht gültige Argumentationsketten zur Beurteilung vorgegebener und zur Entwicklung eigener innerfachlicher Argumentationen; tauschen sich mit anderen konstruktiv über physikalische Sachverhalte aus, vertreten, reflektieren und korrigieren gegebenenfalls den eigenen Standpunkt; prüfen die Urheberschaft, belegen verwendete Quellen und kennzeichnen Zitate.

Bewertungskompetenz

erläutern aus verschiedenen Perspektiven Eigenschaften einer schlüssigen und überzeugenden Argumentation; beurteilen Informationen und deren Darstellung aus Quellen unterschiedlicher Art hinsichtlich Vertrauenswürdigkeit und Relevanz. entwickeln anhand relevanter Bewertungskriterien Handlungsoptionen in gesellschaftlich- oder alltagsrelevanten Entscheidungssituationen mit fachlichem Bezug und wägen sie gegeneinander ab; bilden sich reflektiert und rational in außerfachlichen Kontexten ein eigenes Urteil. reflektieren Bewertungen von Technologien und Sicherheitsmaßnahmen oder Risikoeinschätzungen hinsichtlich der Güte des durchgeführten Bewertungsprozesses; beurteilen Technologien und Sicherheitsmaßnahmen hinsichtlich ihrer Eignung und Konsequenzen und schätzen Risiken, auch in Alltagssituationen, ein; reflektieren kurz- und langfristige, lokale und globale Folgen eigener und gesellschaftlicher Entscheidungen; reflektieren Auswirkungen physikalischer Weltbetrachtung sowie die Bedeutung physikalischer Kompetenzen in historischen, gesellschaftlichen oder alltäglichen Zusammenhängen.

Fachspezifische digitale Kompetenzen

erfassen Daten aus Experimenten mit bekannten Sensoren und Interfaces. nutzen Tabellenkalkulationsprogramme zur Auswertung und Darstellung experimenteller Daten. gewinnen Daten aus Simulationen oder interaktiven Bildschirmexperimenten und nutzen diese für quasi-experimentelle Untersuchungen. erstellen mit digitalen Werkzeugen Medien für die Auswertung experimenteller Vorgänge (z. B. Videos von Bewegungsvorgängen). nutzen digitale Werkzeuge zur sachgerechten und adressatengerechten Präsentation physikalischer Sachverhalte. nennen und nutzen Kriterien für die Auswahl belastbarer digitaler Informationsquellen zu physikalischen Sachverhalten. modellieren einfache physikalische Vorgänge mit digitalen Werkzeugen.

Einführungsphase – Mechanik

verwenden t-sund t-v-Diagramme zur Beschreibung von Bewegungen. identifizieren Kräfte als Ursache von Bewegungsänderungen und wenden den dynamischen Kraftbegriff qualitativ auf Beispiele aus der eigenen Erfahrungswelt an. erläutern den Unterschied zwischen dem physikalischen Kraftbegriff und dem Alltagsbegriff „Kraft“. stellen Kräfte vektoriell dar und können diese addieren bzw. zerlegen. beschreiben und berechnen Bewegungen in zwei Dimensionen. wenden das Zentralkraftgesetz auf Kreisbewegungen an. führen Berechnungen zu zentralen Stößen durch (elastisch und unelastisch). untersuchen Stöße in zwei Dimensionen qualitativ (z. B. Billard). führen messende Versuche zu Bewegungsvorgängen nach Anleitung durch, auch mit digitaler Messwerterfassung (z. B. Beschleunigungs- und Ultraschallsensoren, Videoanalyse). planen einfache Experimente zu Bewegungsvorgängen, bauen sie auf und führen sie durch. werten Rohdaten aus Messungen aus und stellen die gewonnenen Größen in angemessener Form dar, auch mit Tabellenkalkulation. zeichnen Ausgleichsgeraden und ermitteln aus der Steigung des t-s-Diagramms die mittlere Geschwindigkeit inklusive Messunsicherheiten der Steigung (geschätzte Höchst- / KleinststeiVertiefungen erfolgen in der Q-Phase gung). schätzen die Unsicherheit bei direkter Messung ab (z. B. durch Wiederholungen bei Mehrfachmessungen mit einer geeigneten Mittelwertbildung oder bei einmaligem Messen durch die Verwendung der Informationen über die Messung, wie Geräteinformationen, Ablesegenauigkeit, Reaktionszeit). setzen die Genauigkeit der Elemente einer Messung in Bezug zum Ziel der Messung, um abzuschätzen, wie deren Beiträge zur gewünschten Genauigkeit sind. geben auf Grundlage der Messunsicherheit die Anzahl signifikanter Stellen von Messwerten oder Messergebnissen sinnvoll an. beurteilen Sicherheitsmaßnahmen im Verkehr (z. B. Fahrradhelmtragen, Geschwindigkeitsbegrenzungen) hinsichtlich ihrer Eignung, wägen Gründe für und gegen ihre Umsetzung ab.

Einführungsphase – Energie

beschreiben das Energieerhaltungsprinzip und erläutern seine zentrale Bedeutung in der Physik. erläutern die Energieerhaltung am Beispiel von Bewegungsvorgängen mit und ohne Reibung. erläutern den Unterschied zwischen Kraft und Energie. unterscheiden den physikalischen Energiebegriff vom alltäglichen Energiebegriff. berechnen relevante Größen bei rein mechanischen Energieumwandlungen. vergleichen den Energieerhaltungssatz für offene und abgeschlossene Systeme. benennen Energieformen und Energieträger und stellen Energieumwandlungsketten grafisch dar. beschreiben regenerative Energietechnologien in einfachen Anwendungszusammenhängen. bestimmen Wirkungsgrade vergleichend an einfachen Energieumwandlungsketten (z. B. Glühlampe / LED und konventionelles Kraftwerk / Wärmekraftkopplung). beschreiben Energieentwertung als wichtigen Aspekt für den Antrieb von Prozessen (z. B. bei Ernährung, Heizung, Fortbewegung). erläutern, dass der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine nicht größer sein kann als η = 1-Tk/Th. beschreiben das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe anhand eines Energieflussdiagramms. führen Experimente zu Energieumwandlungen und zu regenerativen Energien durch. diskutieren Möglichkeiten zur Speicherung von Wind- und Solarenergie. beurteilen Informationen und deren Darstellung zu Fragen der Energieversorgung in Medien für die allgemeine Öffentlichkeit. erläutern anhand relevanter Bewertungskriterien Handlungsoptionen zum Umgang mit Energie in persönlichen und gesellschaftlichen Zusammenhängen und wägen die Optionen gegeneinander ab. erkennen ökonomische, technische, soziale und ökologische Handlungsmöglichkeiten für einen nachhaltigen Umgang mit der Natur auf unterschiedlichen Entscheidungsebenen. erklären den Strahlungshaushalt der Erde anhand von Energieflüssen. beschreiben das Rückstrahlungsvermögen der Erde mithilfe verschiedener Albedowerte. nennen Beispiele für Kippelemente zum Klimawandel (z. B. Abschmelzen der Eisschilde). schätzen Quellen zum Thema Klimawandel auf ihre Glaubwürdigkeit ein.

Elektrisches Feld

erläutern die Definition der elektrischen Feldstärke E = F/Q. stellen elektrische Felder als Vektorfelder dar und superpositionieren diese. berechnen die Energie im Feld eines Plattenkondensators. diskutieren den Einfluss des Plattenabstandes auf die Kapazität sowie el. Feldstärke bei konstanter Ladungsmenge oder Kondensatorspannung. beschreiben elektrostatische Grundphänomene mit den Begriffen Influenz und Polarisation. skizzieren den zeitlichen Verlauf der Stromstärke beim Auf-/Entladevorgang. erläutern die Entstehung der Bahnformen geladener Teilchen im homogenen elektrischen Längs- und Querfeld. berechnen die Energie von Körpern in homogenen elektrischen Feldern. berechnen die elektrische Feldstärke in der Umgebung von Punktladungen. berechnen die elektrische Spannung bei einer Ladungsverschiebung im homogenen elektrischen Feld U = ∆W/Q. ermitteln eine quantitative Gesetzmäßigkeit zur Berechnung der Kapazität eines Plattenkondensators aus Messdaten (z. B. Plattenabstand oder Fläche) berechnen die Bahnformen geladener Teilchen im homogenen Längs- und Querfeld.

Magnetisches Feld

stellen magnetische Felder als Vektorfelder dar und superpositionieren diese. erläutern die Definition der magnetischen Flussdichte B als Kraft auf ein Stromelement. vergleichen die Feldeigenschaften von magnetischen und elektrischen Feldern. begründen die Bahnkurve elektrischer Ladungsträger im homogenen magnetischen Feld mit der Lorentzkraft (halb-qualitativ). berechnen die Induktionsspannung mithilfe der mittleren Änderungsrate des magnetischen Flusses für den Fall der konstanten Fläche oder konstanter mag. Flussdichte. beschreiben ein technische Anwendungen der Induktion (z. B. Generator). berechnen die Stärke des Magnetfeldes im Inneren einer langgestreckten Spule. berechnen die Richtung und die Stärke des Magnetes eines langen Leiters im Abstand r. erläutern die Entstehung der Hallspannung und berechnen diese. entwerfen eine Versuchsanordnung zur Bestimmung der Stärke und Richtung eiBasiskonzept „Erhaltung und Gleichgewicht“. nes Magnetfeldes. begründen die Bahnkurve elektrischer Ladungsträger im homogenen magnetischen Feld mit der Lorentzkraft. skizzieren den qualitativen Verlauf des t-I und t-U-Diagramms beim Ein- und Ausschaltvorgang bei einer Spule. ermitteln die Induktivität einer Spule aus Messdaten I(t) beim Einschalten dieser Spule und erklären das verwendete Auswerteverfahren. berechnen die Induktivität von Spulen. diskutieren die Einflussgrößen auf die Größe Induktivität und Induktionsspannung.

Mechanische Schwingungen und Wellen

beschreiben periodische Bewegungsabläufe mit den Größen Amplitude, Frequenz, Periodendauer und Elongation und kennen ihre Zusammenhänge. planen Experimente zu Schwingungsvorgängen und führen diese durch. vergleichen harmonische und nicht-harmonische Schwingungsvorgänge. beschreiben harmonische Schwingungen mit Hilfe der Sinus- oder Kosinusfunktion (ohne Dämpfung). beschreiben Schwingungsvorgänge aus Alltag und Technik. berechnen die Periodendauer für das Federpendel. beschreiben quasi-stationäre Eigenschwingungszustände als stehende Wellen. bestimmen den Ortsfaktor g mithilfe eines Fadenpendels über unterschiedliche Fadenlängen und bestimmen grafisch den Mittelwert des Ortsfaktors aus der linearisierten Auftragung T ( l ). leiten die Bewegungsgleichung eines Fadenpendels her. beschreiben gedämpfte Schwingungen mathematisch (kein Kriechfall). beschreiben das Phänomen der Resonanz bei erzwungenen Schwingungen (auch Phasendifferenz) und können den Begriff der Resonanzkatastrophe erläutern. beschreiben die zeitliche und räumliche Entwicklung einer harmonischen eindimensionalen Welle in einer mathematischen Darstellung.

Elektromagnetische Schwingungen

beschreiben elektromagnetische harmonische Schwingungen und kennen die charakteristischen Größen und ihre Zusammenhänge. beschreiben den Schwingkreis phänomenologisch. beschreiben die Einflüsse der Bauteile qualitativ. stellen eine elektromagnetische Schwingung im t-Ubzw. t-I-Diagramm dar. benennen die verschiedenen Frequenzbereiche elektromagnetischer Wellen. vergleichen mechanische und elektromagnetische Schwingungen unter energetischen Aspekten. erklären das Zustandekommen einer elektromagnetischen Schwingung. benennen und berechnen die Energieumwandlungen im elektromagnetischen Schwingkreis. berechnen die Kenngrößen eines Schwingkreises. wenden die Thomson´sche Schwingungsgleichung an. beschreiben die Resonanzkurve eines Schwingkreises und beschreiben den dazugehörigen Versuchsaufbau.

Wellenoptik

erklären Beugungs- und Interferenzerscheinungen mit dem Wellenmodell des Lichts. reflektieren die Verwendung des Wellenmodells unter dem Aspekt der physikalischen Erkenntnisgewinnung (in Abgrenzung zum Strahlenmodell). führen ein Experiment zu Interferenzerscheinungen durch. leiten die Bedingungen für Interferenzmaxima und -minima beim Doppelspalt her. berechnen die Lage von Interferenzmaxima bzw. -minima beim Doppelspalt sowie die Lage der Interferenzmaxima beim Gitter. bestimmen der Wellenlänge beim Doppelspaltversuch (monochromatisches Licht). schätzen der Messunsicherheit der Wellenlängen beim Doppelspalt ab und bewerten die Güte der Messung, diskutieren Einflussgrößen auf die Messunsicherheit. beschreiben die Entstehung des Spektrums von weißem Licht beim Doppelspalt. erläutern die Unterschiede des Interferenzbildes eines Doppelspalts und eines Gitters. beschreiben Polarisierbarkeit (linear) als Eigenschaft transversaler Wellen gegenüber longitudinalen Wellen und können polarisierte von unpolarisierten Wellen unterscheiden. beschreiben Beugung und Interferenz am Einfachspalt und berechnen die Lage der Minima. kennen den Aufbau und die Funktionsweise eines Interferometers am Beispiel des Mach-Zehnder-Interferometers.

Quantenobjekte

beschreiben Versuchsanordnungen, welche die Quanteneigenschaften von Photonen und Elektronen verdeutlichen (Doppelspalt, Fotoeffekt, Elektronenbeugung) und die entsprechenden Versuchsergebnisse. bestimmen aus geeigneten Messwerten den Näherungswert des Planck’schen Wirkungsquantums. deuten typische Experimente unter Aspekten der Quantentheorie (z. B. Interferenz und Superposition). berechnen Wellenlängen von Elektronen. nennen und erläutern die grundlegenden Unterschiede zwischen klassischer Physik und Quantenphysik. schätzen den Anwendungsbereich quantenphysikalischer Betrachtungsweisen ab. diskutieren Probleme bei der Übertragung von Begriffen aus der Anschauungswelt in das quantenphysikalische Weltbild. nutzen die braggsche Gleichung bei der Elektronenbeugungsröhre. schätzen unter Anwendung der Ort-Impuls-Unbestimmtheit den Anwendungsbereich quantenphysikalischer Betrachtungsweisen ab (quantitativ). beschreiben eine Versuchsanordnung zur Koinzidenzmessung und deuten Messungen zum Nachweis einzelner Photonen. deuten das Betragsquadrat der Wellenfunktion als Nachweiswahrscheinlichkeitsdichte. beschreiben ein Delayed-Choice-Experiment und interpretieren die Ergebnisse.

Quantenphysik der Atomhülle

erläutern die Quantisierung der Energie gebundener Elektronen anhand des Modells des linearen Potentialtopfs. nennen Grundeigenschaften quantenmechanischer Atommodelle. berechnen Energiedifferenzen bei Zustandsänderungen des Wasserstoffatoms. erläutern einfache Orbitaldarstellungen des Wasserstoffatoms. erklären den Zusammenhang zwischen dem Energieniveauschema eines Atoms und dessen (diskretem) Spektrum. nutzen die ein Energieniveauschema zur Veranschaulichung von Emission und Absorption von Photonen. stellen die Wellenfunktion und das Quadrat der Wellenfunktion im linearen Potentialtopf grafisch dar. diskutieren die Grenzen des Modells vom eindimensionalen Potentialtopf. berechnen Energiewerte für wasserstoffähnliche Atome. beschreiben die grundlegenden Unterschiede im Energieniveauschema von Wasserstoff und Mehrelektronensystemen. wenden das Pauli-Prinzip auf Mehrelektronensysteme an. beschreiben die Entstehung vom kontinuierlichen und diskreten Röntgenspektrum.

Struktur der Materie

schätzen die Größenordnungen von Strukturbauteilen der Materie ab. beschreiben Verfahren zur Bestimmung der Masse und des Radius von Kernen und Nukleonen. beschreiben die Funktion eines Massenspektrographen. erläutern das Rutherford´sche Streuexperiment. beschreiben und berechnen Paarbildung und Paarvernichtung mit EnergieMasse-Umwandlung. beschreiben den Aufbau von Nukleonen aus Quarks.