Die Schü­ler/-in­nen ler­nen den Un­ter­schied zwi­schen den drei phy­si­ka­li­schen Grö­ßen Mas­se, Vo­lu­men und Dich­te ken­nen. Sie fes­ti­gen die Be­grif­fe For­mel­zei­chen, Ein­heit und Ein­hei­ten­zei­chen in­klu­si­ve der Um­rech­nun­gen zwi­schen den Ein­hei­ten. Sie be­nut­zen ver­schie­de­ne Mess­in­stru­men­te oder Mess­me­tho­den und wen­den die­se auf fes­te und flüs­si­ge Kör­per an.

Das Teil­chen­mo­dell als ver­ein­fach­te Vor­stel­lung von Ma­te­rie wird ein­ge­führt. Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die un­ter­schied­li­che An­ord­nung und Be­we­gungs­ge­schwin­dig­keit von Teil­chen in fes­ten, flüs­si­gen und gas­för­mi­gen Kör­pern so­wie das Ver­hal­ten der Teil­chen bei Er­wär­mung und Ab­küh­lung ken­nen. Sie ver­ste­hen, dass Kör­per durch Ein­satz von Wär­me oder Käl­te ih­ren Ag­gre­gat­zu­stand wech­seln kön­nen.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die vier Ba­sis­kon­zep­te En­er­gie, Struk­tur der Ma­te­rie, Wech­sel­wir­kung und Sys­tem ken­nen und wer­fen mit ih­rer Hil­fe neue Per­spek­ti­ven auf be­kann­te The­men der ver­schie­de­nen phy­si­ka­li­schen Teil­ge­bie­te. Sie er­ken­nen Zu­sam­men­hän­ge und Ähn­lich­kei­ten zwi­schen den ein­zel­nen Teil­ge­bie­ten. Am Bei­spiel der Schwin­gung, des Wär­me­trans­ports, der Kraft­wir­kung zwi­schen fer­ro­ma­gne­ti­schen Stof­fen und dem Son­nen­sys­tem ver­ste­hen sie die Leit­ide­en hin­ter den Ba­sis­kon­zep­ten und kön­nen sie an­hand von Ex­pe­ri­men­ten ver­an­schau­li­chen. Sie knüp­fen mit Hil­fe der Ba­sis­kon­zep­te Ver­bin­dun­gen zu an­de­ren Na­tur­wis­sen­schaf­ten wie Che­mie und Bio­lo­gie.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die his­to­ri­sche Ent­wick­lung und wich­ti­ge Mei­len­stei­ne der Phy­sik. Sie wis­sen um die For­mu­lie­rungs­mög­lich­kei­ten phy­si­ka­li­scher Er­kennt­nis­se (Mo­dell, Theo­rie, Ge­setz) und de­ren Gül­tig­keits­be­rei­che und kön­nen die Be­rei­che klas­si­schen Phy­sik und Quan­ten­phy­sik un­ter­schei­den. Die Vor­ge­hens­wei­se der Er­kennt­nis­ge­win­nung in der Phy­sik ist ih­nen be­kannt. Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass ein Ver­suchs­pro­to­koll beim Ex­pe­ri­men­tie­ren not­wen­dig ist und kön­nen ein ein­fach struk­tu­rier­tes Ver­suchs­pro­to­koll er­stel­len.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen an­hand der Pla­nung ei­nes Ma­ra­thon­laufs durch ih­ren Ort die phy­si­ka­li­schen Grö­ßen Län­ge, Zeit und Ge­schwin­dig­keit ken­nen. Sie ver­ste­hen, was eine phy­si­ka­li­sche Grö­ße ist und wie sich mes­sen von schät­zen un­ter­schei­det. For­mel­zei­chen, Ein­hei­ten, Ein­hei­ten­zei­chen und Mess­ge­rä­te der drei phy­si­ka­li­schen Grö­ßen kön­nen sie be­nen­nen. Sie ken­nen his­to­ri­sche Län­gen­ma­ße wie Span­ne und Elle und wis­sen, wie Zeit frü­her durch den Ver­gleich mit sich wie­der­ho­len­den Be­we­gun­gen ge­mes­sen wur­de. Sie kön­nen mit phy­si­ka­li­schen Grö­ßen rech­nen und die Ge­schwin­dig­keit als ab­ge­lei­te­te Grö­ße aus Län­ge und Zeit be­stim­men.

Die Schü­ler/-In­nen ler­nen die Si­cher­heits­aus­stat­tung im Phy­sik­raum ken­nen. Sie ver­ste­hen die Ver­hal­tens­re­geln im Phy­sik­raum. Die Ge­fahr­stoff­sym­bo­le und ihre Be­deu­tung sind ih­nen be­kannt. Sie wis­sen, wel­che Schutz­klei­dung ver­wen­det wer­den muss. Die Schü­ler/-in­nen ken­nen ty­pi­sche Ge­fah­ren­quel­len in der Me­cha­nik, Elek­tro­tech­nik und Ther­mo­dy­na­mik und wis­sen, wie die­se zu ver­mei­den sind.

An All­tags­the­men wie Ver­kehrs­zäh­lun­gen, Luft­mes­sun­gen und Ge­schwin­dig­keits­mes­sun­gen er­ler­nen die Schü­ler/-in­nen die Me­tho­dik zum Er­stel­len und Aus­wer­ten von Dia­gram­men. Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die ver­schie­de­nen Ar­ten von Dia­gram­men ken­nen und wis­sen, wel­che Form für wel­che Art von Da­ten ge­eig­net ist. Sie sind in der Lage, Wer­te und Häu­fig­kei­ten zu er­mit­teln, den funk­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen phy­si­ka­li­schen Grö­ßen zu er­ken­nen und die­sen gra­fisch dar­zu­stel­len. Frem­de Dia­gram­me kön­nen sie mit­ein­an­der ver­glei­chen und in­ter­pre­tie­ren.

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen die his­to­ri­sche Ent­wick­lung der in­ter­na­tio­na­len Ein­hei­ten­sys­te­me ken­nen. Sie wis­sen um den Auf­bau und die Be­deu­tung der Ba­sis­grö­ßen, Ba­sis­ein­hei­ten und der zu­grund­lie­gen­den Na­tur­kon­stan­ten. Sie kön­nen Prä­fi­xe ver­wen­den und wis­sen um ihre Be­deu­tung. Ein­hei­ten kön­nen sie in­ein­an­der um­rech­nen.

Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, wie man Ver­su­che rich­tig durch­führt und pro­to­kol­liert. Ih­nen ist der Auf­bau ei­nes Ver­suchs­pro­to­kolls be­kannt. Sie wis­sen, dass sie ei­nen Ver­such zu­erst kurz be­schrei­ben und dann Ver­mu­tun­gen an­stel­len. Ih­nen ist be­wusst, dass sie auch die be­nö­tig­ten Ma­te­ria­li­en und Si­cher­heits­maß­nah­men pro­to­kol­lie­ren. Den Ver­suchs­auf­bau kön­nen sie mit­hil­fe ei­ner Ver­suchs­skiz­ze dar­stel­len. Sie kön­nen die Durch­füh­rung in we­ni­gen Sät­zen be­schrei­ben und die Be­ob­ach­tun­gen no­tie­ren. Bei Mes­sun­gen kön­nen sie ihre Mess­wer­te in ei­ner Mess­wert­ta­bel­le fest­hal­ten. Für die Aus­wer­tung kön­nen sie die Mess­wer­te in ein Dia­gramm über­tra­gen und eine Aus­gleichs­ge­ra­de zeich­nen. Au­ßer­dem kön­nen sie aus ei­ner Ur­sprungs­ge­ra­de ei­nen pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang ab­lei­ten. Nicht zu­letzt kön­nen sie ein Ver­suchs­er­geb­nis for­mu­lie­ren.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen das Ba­sis­kon­zept En­er­gie ken­nen. Sie kön­nen die grund­le­gen­den Wir­kun­gen und Ei­gen­schaf­ten von En­er­gie be­schrei­ben und Bei­spie­le für En­er­gie­über­tra­gung und En­er­gie­um­wand­lung in All­tag und Tech­nik be­nen­nen. Für die Spei­che­rung von En­er­gie in ver­schie­de­nen En­er­gie­for­men ken­nen sie Bei­spie­le. Sie ord­nen der En­er­gie die Ein­heit Joule zu, ken­nen al­ter­na­ti­ve Ein­hei­ten für En­er­gie und kön­nen ty­pi­sche Grö­ßen­ord­nun­gen an­ge­ben.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die me­cha­ni­schen En­er­gie­for­men und kön­nen Bei­spie­le da­für be­nen­nen. An­hand von ein­fa­chen Ex­pe­ri­men­ten er­ken­nen sie die ver­schie­de­nen Ein­fluss­grö­ßen auf die Stär­ke von ki­ne­ti­scher, po­ten­zi­el­ler und Spann­ener­gie und kön­nen ein­fa­che En­er­gie­über­tra­gungs­ket­ten be­schrei­ben. Sie kön­nen me­cha­ni­sche, che­mi­sche, in­ter­ne und Strah­lungs­en­er­gie von­ein­an­der un­ter­schei­den und wis­sen um die be­son­de­re Be­deu­tung der Strah­len­en­er­gie für das Le­ben auf der Erde.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen bei ei­nem Be­we­gungs­ab­lauf die Um­wand­lung von ei­ner En­er­gie­form in eine an­de­re oder meh­re­re an­de­re En­er­gie­for­men be­schrei­ben und als En­er­gie­ket­te dar­stel­len. Sie be­grei­fen den Zu­sam­men­hang zwi­schen nutz­ba­rer und ent­wer­te­ter En­er­gie und stel­len die En­er­gie­um­wand­lung in Form ei­nes En­er­gie­fluss­dia­gramms dar. Da­bei un­ter­schei­den sie zwi­schen En­er­gie­wand­lern und En­er­gie­spei­chern.

Die Schü­ler/-in­nen set­zen sich mit dem Ge­setz der En­er­gie­er­hal­tung aus­ein­an­der. Sie ver­ste­hen, dass En­er­gie we­der ent­ste­hen noch ver­nich­tet wer­den kann. Sie kön­nen die En­er­gie­er­hal­ten an­hand von All­tags­si­tua­tio­nen be­schrei­ben und die Ver­rin­ge­rung des Wir­kungs­grads mit der Um­wand­lung in ther­mi­sche En­er­gie er­klä­ren. Da­bei nut­zen sie gra­fi­sche For­men wie En­er­gie­fluss- und En­er­gie­säu­len­dia­gramm.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen den Be­griff der En­er­gie­wen­de ken­nen. Sie wis­sen, was En­er­gie­trä­ger sind und kön­nen zwi­schen pri­mä­ren und se­kun­dä­ren so­wie fos­si­len und er­neu­er­ba­ren En­er­gie­trä­gern un­ter­schei­den. Den En­er­gie­be­darf der Erde kön­nen sie mit den ver­schie­de­nen En­er­gie­res­sour­cen ver­glei­chen. Sie wis­sen um die Be­deu­tung der er­neu­er­ba­ren En­er­gi­en und wis­sen, dass die En­er­gie­res­sour­cen der Son­nen­strah­lung und die des Win­des für Deutsch­land be­son­ders re­le­vant sind. Sie ken­nen den Auf­bau und die Funk­ti­ons­wei­se ei­nes ther­mi­schen Son­nen­kol­lek­tors, ei­ner So­lar­an­la­ge und ei­ner Wind­kraft­an­la­ge.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen re­ge­ne­ra­ti­ve En­er­gie­an­la­gen von En­er­gie­an­la­gen un­ter­schei­den, die fos­si­le En­er­gie­trä­ger nut­zen. Sie ken­nen den Auf­bau und die Funk­ti­ons­wei­se ei­ner Wind­kraft­an­la­ge, ei­nes Was­ser­kraft­werks, ei­ner Pho­to­vol­ta­ik­an­la­ge und ei­ner ther­mi­schen So­lar­an­la­ge. Die Pro­zes­se der En­er­gie­um­wand­lung in die­sen re­ge­ne­ra­ti­ven En­er­gie­an­la­gen kön­nen sie er­klä­ren. Den li­nea­ren An­stieg der Tem­pe­ra­tur des durch­flie­ßen­den Wär­me­trä­gers ei­nes So­lar­kol­lek­tors kön­nen sie durch Mes­sun­gen er­mit­teln. Au­ßer­dem kön­nen sie den Wir­kungs­grad ei­nes So­lar­kol­lek­tors be­rech­nen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Spei­che­rung von En­er­gie als den zeit­li­chen Er­halt ei­ner be­stimm­ten En­er­gie­men­ge er­klä­ren, die spon­tan ge­nutzt wer­den kann. Sie wis­sen, dass die Nut­zung der ge­spei­cher­ten En­er­gie in der Re­gel mit ei­ner Um­wand­lung der En­er­gie­form ein­her geht. Sie kön­nen Bei­spie­le für die Spei­che­rung von En­er­gie in Form von La­ge­en­er­gie, Spann­ener­gie und che­mi­scher En­er­gie an­ge­ben. Au­ßer­dem kön­nen sie Pri­mär- und Se­kun­där­bat­te­ri­en als wich­ti­ge En­er­gie­spei­cher er­ken­nen und un­ter­schei­den. Sie wis­sen, dass bei­de Bat­te­rie­ar­ten auf gal­va­ni­schen Zel­len be­ru­hen. Den Auf­bau und die Funk­ti­ons­wei­se ei­ner gal­va­ni­schen Zel­le kön­nen sie er­klä­ren. Zu­dem kön­nen sie die Span­nun­gen ver­schie­de­ner gal­va­ni­scher Zel­len mes­sen und ver­glei­chen. Zu­letzt ver­ste­hen sie auch, wie man mit Hil­fe ei­ner Brenn­stoff­zel­le En­er­gie aus er­neu­er­ba­ren En­er­gie­trä­gern spei­chern und spä­ter spon­tan wie­der nut­zen kann.

Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass die po­ten­zi­el­le En­er­gie ei­nes an­ge­ho­be­nen Kör­pers gleich dem Pro­dukt sei­ner Ge­wichts­kraft und der Höhe ist. Mit dem En­er­gie­er­hal­tungs­satz ver­ste­hen sie, dass beim frei­en Fall die ma­xi­ma­le po­ten­zi­el­le En­er­gie gleich der ki­ne­ti­schen En­er­gie auf Höhe des Null­ni­veaus sein muss. Mit Hil­fe die­ses Zu­sam­men­hangs kön­nen sie in ei­nem Ver­such zum frei­en Fall die ki­ne­ti­sche En­er­gie in Ab­hän­gig­keit der Ge­schwin­dig­keit un­ter­su­chen. Aus der gra­phi­schen Aus­wer­tung kön­nen sie den ma­the­ma­ti­schen Zu­sam­men­hang der bei­den Grö­ßen er­mit­teln. Ver­tie­fend ver­ste­hen sie auch, wie man aus­ge­hend von den Be­we­gungs­ge­set­zen der gleich­mä­ßig be­schleu­nig­ten Be­we­gung die For­mel der ki­ne­ti­schen En­er­gie her­lei­ten kann. Da­mit kön­nen sie die ki­ne­ti­sche En­er­gie ei­nes be­weg­ten Kör­pers be­rech­nen.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, dass man me­cha­ni­sche Pro­ble­me sehr ele­gant mit Hil­fe des En­er­gie­er­hal­tungs­sat­zes lö­sen kann. Sie kön­nen den en­er­ge­ti­schen An­satz vom Kraft­an­satz un­ter­schei­den. Die Grund­pro­ble­ma­tik beim Kraft­an­satz im Fal­le ei­ner nicht kon­stan­ten Kraft ha­ben sie ver­in­ner­licht und ken­nen den en­er­ge­ti­schen An­satz als hilf­rei­che Al­ter­na­ti­ve. Sie kön­nen Glei­chun­gen für die Ge­samt­ener­gie mit po­ten­zi­el­ler und ki­ne­ti­scher En­er­gie auf­stel­len. Au­ßer­dem kön­nen sie die Her­lei­tung der Ge­schwin­dig­keit in Ab­hän­gig­keit der Hö­hen­dif­fe­renz mit Hil­fe des en­er­ge­ti­schen An­sat­zes nach­voll­zie­hen. Da­mit kön­nen sie bei­spiels­wei­se Ge­schwin­dig­kei­ten bei ei­ner Ku­gel­bahn oder ei­nem Fa­den­pen­del aus­rech­nen und sie ex­pe­ri­men­tell über­prü­fen.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die phy­si­ka­li­schen Ei­gen­schaf­ten des Ma­gne­ten im Be­zug auf sei­ne Kraft­wir­kung auf an­de­re Stof­fe ken­nen. Sie er­ken­nen im Ex­pe­ri­ment, dass Ma­gne­te zwei Be­rei­che stärks­ter An­zie­hung be­sit­zen und kön­nen die Kraft­rich­tung zwei­er Ma­gne­te an­hand der Pole er­läu­tern so­wie die Pol­re­gel for­mu­lie­ren. Sie be­schrei­ben die Kraft­wir­kung von Po­len auf­ein­an­der und be­ob­ach­ten die Kraft­ver­än­de­rung kom­bi­nier­ter Ma­gne­te.

Die Schü­ler/-in­nen ver­wen­den das Mo­dell der Ele­men­tar­ma­gne­te zur Er­klä­rung des Un­ter­schieds von ma­gne­ti­sier­ten und nicht ma­gne­ti­sier­ten Kör­pern. Aus der glei­chen Ori­en­tie­rung der Ele­men­tar­ma­gne­te schlie­ßen die Schü­ler/-in­nen auf die In­flu­enz und Re­ma­nenz. Sie ken­nen Ver­fah­ren zur Ent­ma­gne­ti­sie­rung wie Er­schüt­te­rung und Er­hit­zen und kön­nen den Vor­gang der Ent­ma­gne­ti­sie­rung mit Hil­fe des Ele­men­tar­ma­gne­ten­mo­dells er­klä­ren.

Die Schü­ler/-in­nen be­schrei­ben das Ma­gnet­feld an­hand der Ei­gen­schaf­ten der Ma­gnet­feld­li­ni­en. Sie wen­den ihr Wis­sen über das Ma­gnet­feld auf das Erd­ma­gnet­feld an und ver­ste­hen den Un­ter­schied zwi­schen dem geo­gra­fi­schen und ma­gne­ti­schen Nord- und Süd­pol. An der De­kli­na­ti­on oder Miss­wei­sung und der Ab­schir­mung des Ma­gnet­fel­des be­grün­den sie die Schwie­rig­kei­ten bei der Ori­en­tie­rung mit ei­nem Kom­pass.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen Kraft als un­sicht­ba­re Grö­ße ken­nen, die sich nur an­hand ih­rer Wir­kun­gen er­fas­sen lässt. Die Wir­kung von Kraft lässt Ge­gen­stän­de schnel­ler oder lang­sa­mer wer­den, ihre Be­we­gungs­rich­tung än­dern oder sich ver­for­men. Sie ler­nen den An­griffs­punkt, die Rich­tung und den Be­trag der Kraft mit Hil­fe ei­nes Kraft­pfeils dar­zu­stel­len. An­hand ei­nes Ex­pe­ri­ments mit ei­ner selbst ge­bau­ten Gum­mi­band­waa­ge ler­nen sie, die Ge­wichts­kraft klei­ner Ge­gen­stän­de zu mes­sen und die Wer­te in eine Wer­t­e­ta­bel­le ein­zu­tra­gen.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen, wie man mit ei­nem Kraft­mes­ser die Ge­wichts­kraft von Ge­gen­stän­den misst. Sie ver­ste­hen, war­um es Kraft­mes­ser mit un­ter­schied­li­chen Mess­be­rei­chen gibt. Sie üben den Um­gang mit Wer­t­e­ta­bel­len und ler­nen Dia­gram­me an­zu­le­gen. Sie er­ken­nen das Ver­hält­nis zwi­schen Mas­se und Kraft und ler­nen, die Ge­wichts­kraft von Ge­gen­stän­den auf Ba­sis ih­rer Mas­se aus­zu­rech­nen.

Die Schü­ler/-in­nen be­ob­ach­ten Ver­su­che mit zwei un­ter­schied­lich star­ken Schrau­ben­fe­dern und er­ken­nen, dass Kraft und Ver­län­ge­rung der Schrau­ben­fe­der pro­por­tio­nal zu­ein­an­der sind (Hoo­ke­sches Ge­setz). Sie er­rech­nen die Fe­der­kon­stan­te von Schrau­ben­fe­dern und er­stel­len ein Kraft-Ver­län­ge­rungs-Dia­gramm von zwei ver­schie­de­nen Schrau­ben­fe­dern so­wie ei­nem Gum­mi­band. Sie ver­ste­hen, war­um es Kraft­mes­ser mit un­ter­schied­li­chen Mess­be­rei­chen gibt.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Gra­vi­ta­ti­on der Erde als Ur­sa­che und die Rich­tung der Ge­wichts­kraft an­ge­ben. Sie ler­nen den Orts­fak­tor als be­stim­men­de Grö­ße für die Be­rechnnung der Ge­wichts­kraft ken­nen. Sie ver­glei­chen die Erd­an­zie­hungs­kraft mit der An­zie­hungs­kraft auf dem Mond und ver­ste­hen den Un­ter­schied zwi­schen schwe­rer Mas­se und der Ge­wichts­kraft ei­nes Kör­pers.

An­hand meh­re­rer Ver­su­che be­grei­fen die Schü­ler/-in­nen das Prin­zip der Träg­heit ei­ner Mas­se und kön­nen Bei­spie­le für das Träg­heits­prin­zip an­ge­ben. Sie ver­ste­hen Träg­heit als Ei­gen­schaft der Mas­se und ver­ste­hen, wo­von die Träg­heit ab­hän­gig ist.

Mit Hil­fe ein­fa­cher Ver­su­che ler­nen die Schü­ler/-in­nen die Wir­kung meh­re­rer Kräf­te ken­nen. Sie kön­nen die re­sul­tie­ren­de Kraft bei gleich­ge­rich­te­ten, ent­ge­gen­ge­setzt ge­rich­te­ten und un­ter­schied­lich ge­rich­te­ten Kräf­ten be­stim­men. Zur Dar­stel­lung der Wir­kung meh­re­rer Kräf­te nut­zen sie das Kraft­drei­eck.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen, wo im All­tag über­all He­bel ein­ge­setzt wer­den und dass man mit He­beln Kräf­te ver­stär­ken kann. Sie kön­nen den zwei­sei­ti­gen He­bel und den ein­sei­ti­gen He­bel als Kraft­wand­ler be­schrei­ben und An­wen­dungs­bei­spie­le be­nen­nen. In ei­nem Ver­such ler­nen sie das He­bel­ge­setz ken­nen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Un­ter­schie­de von fes­ten und lo­sen Rol­len an­ge­ben. Sie be­ob­ach­ten ein­fa­che Ver­su­che und kön­nen dar­auf­hin das Wech­sel­spiel aus Rol­len und tra­gen­den Sei­len beim Fla­schen­zug be­schrei­ben und die je­weils ein­zu­set­zen­de Kraft zum He­ben ei­nes Kör­pers so­wie das Ver­hält­nis aus Last­weg und Kraft­weg be­rech­nen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die drei New­ton­schen Axio­me be­nen­nen. Sie wis­sen, was ein Axi­om ist und sind in der Lage, die Aus­sa­gen der New­ton­schen Axio­me auf Sport- und Be­we­gungs­ab­läu­fe zu über­tra­gen. Sie wis­sen, dass man beim Auf­stel­len von Pro­por­tio­na­li­tä­ten zwei­er Grö­ßen die drit­te Grö­ße kon­stant hal­ten muss. Dar­über hin­aus wie­der­ho­len sie die Schrit­te zum Be­wer­ten ei­nes Sach­ver­hal­tes.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen Licht­quel­len ken­nen und ver­ste­hen den Un­ter­schied zwi­schen selbst­leuch­ten­den und be­leuch­te­ten Kör­pern. Sie nut­zen ge­eig­ne­te Mo­del­le zur Be­schrei­bung der Aus­brei­tung des Lichts und ler­nen die Fach­be­grif­fe Licht­bün­del, Licht­strahl, Blen­de und Matt­schei­be. Sie be­ob­ach­ten und be­schrei­ben das Auf­tref­fen von Licht auf durch­sich­ti­ge und un­durch­sich­ti­ge Ge­gen­stän­de. An­hand ei­nes Ver­suchs ver­ste­hen sie, wie Bil­der in ei­ner Loch­ka­me­ra ent­ste­hen.

Die Schü­ler/-in­nen be­schäf­ti­gen sich mit dem grund­le­gen­den Prin­zip der Schat­ten­bil­dung. Sie kön­nen Schat­ten­bil­dung und Schat­ten­phä­no­me­ne er­läu­tern (Ent­ste­hung von Schat­ten, Schat­ten bei punkt­för­mi­gen und aus­ge­dehn­ten Licht­quel­len). Dazu nut­zen sie Mo­del­le als ver­ein­fach­te Dar­stel­lun­gen von Wirk­lich­keit. Sie be­ob­ach­ten, ler­nen Hy­po­the­sen zu bil­den und die­se mit Hil­fe von Ver­su­chen zu über­prü­fen.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen, die Ent­ste­hung von Schat­ten im Welt­raum zu be­schrei­ben. Sie kön­nen die ver­schie­de­nen Mond­pha­sen be­nen­nen und ihre Ent­ste­hung er­klä­ren. Sie kön­nen eine to­ta­le und par­ti­el­le Mond- und Son­nen­fins­ter­nis nach­stel­len.

An­hand ein­fa­cher Ex­pe­ri­men­te er­fah­ren die Schü­ler/-in­nen den Un­ter­schied zwi­schen licht­durch­läs­si­gen und licht­un­durch­läs­si­gen Kör­pern. Sie ver­ste­hen den Un­ter­schied zwi­schen Ab­sorp­ti­on und Re­fle­xi­on von Licht. Sie er­ken­nen das Re­fle­xi­ons­ge­setz und kön­nen Lot, Ein­falls­win­kel und Re­fle­xi­ons­win­kel be­nen­nen. Am Bei­spiel ei­nes Pe­ri­skops und ei­nes Re­flek­tors ver­ste­hen sie das Prin­zip der mehr­fa­chen Re­fle­xi­on von Licht. Sie kön­nen die Ge­mein­sam­kei­ten und Un­ter­schie­de von Streu­ung und Re­fle­xi­on er­klä­ren und kön­nen Bei­spie­le für die An­wen­dung an­ge­ben.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, wie Spie­gel­bil­der ent­ste­hen. Sie kön­nen die Ei­gen­schaf­ten ei­nes Spie­gel­bil­des auf­zäh­len und das Spie­gel­bild kon­stru­ie­ren. Sie ler­nen, selbst Ex­pe­ri­men­te mit Spie­geln durch­zu­füh­ren und be­grei­fen die Re­fle­xi­on von Licht am Spie­gel.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Bre­chung des Lichts be­schrei­ben und den Ver­lauf des Lichts beim Über­gang von Luft in Was­ser, Luft in Glas und um­ge­kehrt vor­her­sa­gen. Sie ver­ste­hen die Ur­sa­che für die Bre­chung des Lichts und kön­nen den Zu­sam­men­hang zwi­schen Bre­chung und op­ti­scher Dich­te ei­nes Stof­fes her­stel­len. Op­ti­sche Phä­no­me­ne wer­den mit Hil­fe von phy­si­ka­li­schem Wis­sen er­klärt.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen eine Sam­mel­lin­se be­schrei­ben und ih­ren Brenn­punkt so­wie ihre Brenn­wei­te be­stim­men. Sie be­grei­fen die Bild­ent­ste­hung bei ei­ner Sam­mel­lin­se und ver­ste­hen den Zu­sam­men­hang zwi­schen Ge­gen­stands­wei­te und Bild­grö­ße so­wie den Zu­sam­men­hang zwi­schen Ge­gen­stands­wei­te und Brenn­wei­te. Sie kön­nen er­klä­ren, wie die Ab­bil­dung von Ge­gen­stän­den durch Au­gen­lin­se und Netz­haut pas­siert und kön­nen Kurz- und Weit­sich­tig­keit den pas­sen­den Bril­len­glä­sern und Kon­takt­lin­sen zu­ord­nen.

Mit Hil­fe ei­nes Spek­trums zer­le­gen die Schü­ler/-in­nen wei­ßes Licht in Spek­tral­far­ben. Sie kön­nen die Spek­tral­far­ben in der rich­ti­gen Rei­hen­fol­ge nen­nen und ihre Ei­gen­schaf­ten be­schrei­ben. Sie be­grei­fen, wann ein Re­gen­bo­gen ent­steht. An­hand von Ani­ma­tio­nen und ein­fa­chen Ex­pe­ri­men­ten ver­ste­hen sie, wie die Far­ben so­wie die Krüm­mung des Re­gen­bo­gens ent­ste­hen.

Die Schü­ler/-in­nen er­hal­ten ei­nen Ein­blick in die ad­di­ti­ve und sub­trak­ti­ve Farb­mi­schung an­hand all­tags­na­her Ex­pe­ri­men­te. Sie ver­ste­hen wie ver­schie­de­ne Far­ben wahr­ge­nom­men wer­den und war­um sich alle Farb­ein­drü­cke aus den Grund­far­ben Rot, Grün und Blau zu­sam­men­set­zen. Der RGB-Farb­kreis und die Kom­ple­men­tär­far­ben wer­den ein­ge­führt. Am Bei­spiel von op­ti­schen Auf­hel­lern in Wasch­mit­teln er­ken­nen die Schü­ler/-in­nen, wie die Farb­mi­schung auch im All­tag ein­ge­setzt wird und wie op­ti­sche Täu­schun­gen mit­hil­fe von Farb­mi­schung ent­ste­hen.

Die Schü­ler/-in­nen er­hal­ten ei­nen Ein­blick in das Phä­no­men der Ab­sorp­ti­on im Zu­sam­men­hang mit der Ent­ste­hung von Kör­per­far­ben. An­hand grund­le­gen­der Über­le­gun­gen und Ex­pe­ri­men­te ler­nen sie, wie die Farb­wahr­neh­mung von Ge­gen­stän­den durch die Re­fle­xi­on, Streu­ung und Ab­sorp­ti­on von Licht ent­steht. Sie ver­ste­hen den Un­ter­schied der Licht­re­fle­xi­on bei Kör­pern in Grund- und Misch­far­ben.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Be­deu­tung phy­si­ka­li­scher Kennt­nis­se be­ur­tei­len und phy­si­ka­li­sche Er­kennt­nis­se als Ba­sis für die Be­wer­tung ei­nes Sach­ver­halts nut­zen. Sie ken­nen hier­zu eine mög­li­che Her­an­ge­hens­wei­se. Sie wie­der­ho­len den Strah­len­ver­lauf an der Sam­mel­lin­se, den Seh­vor­gang und den Farb­ein­druck bei be­leuch­te­ten Kör­pern. Sie über­win­den die ty­pi­schen Fehl­vor­stel­lun­gen zum „ak­ti­ven Auge“ und zum Auge als ein­zi­gen Seh­ap­pa­rat. Sie ver­ste­hen, war­um ein me­tho­di­sches Vor­ge­hen beim Be­wer­ten wich­tig ist und wie es ih­nen im All­tag nut­zen kann.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die Bild­ent­ste­hung bei der Lupe ken­nen und kön­nen mit den Be­grif­fen Ge­gen­stands­wei­te, Bild­wei­te, Brenn­punkt, Bild­grö­ße, Ge­gen­stands­grö­ße ver­schie­de­ne Ef­fek­te bei der Bild­ent­ste­hung er­läu­tern. Vir­tu­el­le Bil­der kön­nen sie von re­el­len Bil­dern un­ter­schei­den. Sie ken­nen die Lin­sen­glei­chung und sind in der Lage, da­mit ein­fa­che Be­rech­nun­gen nach­zu­voll­zie­hen. Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, wie man die Brenn­wei­te ei­ner Sam­mel­lin­se be­stimmt, sie ken­nen die Be­grif­fe auf­recht, um­ge­kehrt, sei­ten­rich­tig und sei­ten­ver­kehrt und kön­nen sie auf die Bild­ent­ste­hung an­wen­den. Die his­to­ri­sche Ent­wick­lung, den Auf­bau, den Strah­len­ver­lauf und die Funk­ti­ons­wei­se des Ga­li­lei­schen- und des Kep­ler­schen Fern­roh­res sind ih­nen be­kannt und sie kön­nen Vor- und Nach­tei­le be­nen­nen. Sie wis­sen, wie man die Ver­grö­ße­rung und die Län­ge der Fern­roh­re be­stimmt.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die Ent­de­ckung der Rönt­gen­strah­lung durch Wil­helm Con­rad Rönt­gen. Sie sind sich der bahn­bre­chen­den Be­deu­tung die­ser Ent­de­ckung für die Me­di­zin be­wusst. Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass man Rönt­gen­strah­lung mit ei­nem Rönt­gen­ge­rät in ei­ner Rönt­gen­röh­re er­zeu­gen kann. Die Ent­ste­hung des Bil­des ei­nes durch­leuch­te­ten Ob­jekts auf ei­nem Leucht­schirm kön­nen sie er­klä­ren. Die Fluo­res­zenz des Leucht­schirms kön­nen sie von der Schwärzung ei­nes Rönt­gen­films bei der Rönt­gen­fo­to­gra­fie un­ter­schei­den. Sie kön­nen auch ein Rönt­gen­bild mit der Rönt­gen­fo­to­gra­fie er­zeu­gen. Zu­dem kön­nen sie die Lage und die Län­ge ei­nes ver­bor­ge­nen Ob­jekts mit Hil­fe der Rönt­gen­strah­lung be­stim­men.

Die Schü­ler/-in­nen er­ken­nen die Farb­zer­le­gung von wei­ßem Licht an ei­nem Re­fle­xi­ons- und Trans­mis­si­ons­git­ter als Fol­ge der Beu­gung und In­ter­fe­renz. Sie wis­sen, dass sich die Beu­gungs- und In­ter­fe­renz­erschei­nun­gen nur mit dem Wel­len­mo­dell des Lichts er­klä­ren las­sen. An­hand ei­nes Dop­pel­spalt­ver­suchs mit mo­no­chro­ma­ti­schem La­ser­licht kön­nen sie be­schrei­ben, wie durch die Über­la­ge­rung der Ele­men­tar­wel­len ein In­ter­fe­renz­mus­ter ent­steht. Sie kön­nen die In­ten­si­täts­ma­xi­ma mit ih­rer je­wei­li­gen Ord­nung be­nen­nen. Sie wis­sen, dass als Be­din­gung für ein Ma­xi­mum der Gang­un­ter­schied ein ganz­zah­li­ges Viel­fa­ches der Wel­len­län­ge sein muss. Mit Hil­fe ei­nes De­zi­me­ter­wel­len­sen­ders, der eine elek­tro­ma­gne­ti­sche Wel­le in eine Le­cher-Lei­tung ein­strahlt, ver­ste­hen sie, dass Licht im wei­te­ren Sin­ne aus schwin­gen­den elek­tri­schen und ma­gne­ti­schen Fel­dern be­steht.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen das ge­sam­te, elek­tro­ma­gne­ti­sche Spek­trum. Sie kön­nen Ra­dio­wel­len, Mi­kro­wel­len, In­fra­rot­strah­lung und so wei­ter an­hand der Wel­len­län­ge in das Spek­trum ein­ord­nen. Au­ßer­dem ken­nen sie ty­pi­sche An­wen­dun­gen und das na­tür­li­che Auf­tre­ten der ein­zel­nen Strah­lun­gen. Sie wis­sen, dass eine Strah­lung umso en­er­gie­rei­cher ist, je kurz­wel­li­ger sie ist. Zu­dem kön­nen sie den um­ge­kehrt pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen der Wel­len­län­ge und der Fre­quenz ei­ner elek­tro­ma­gne­ti­schen Wel­le her­lei­ten. Zu­letzt ken­nen sie auch die Ab­strahl­cha­rak­te­ris­tik ei­nes λ/2-Di­pols und wis­sen, dass beim Emp­fang auf die Po­la­ri­sa­ti­on der elek­tro­ma­gne­ti­schen Wel­le ge­ach­tet wer­den muss.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len das Teil­chen- und Wel­len­mo­dell des Lichts so­wie Re­fle­xi­on und Bre­chung und wen­den die Kennt­nis­se an­hand des Teil­chen­mo­dells auf die Fo­to­gra­fie an. An­hand des Wel­len­mo­dells über­tra­gen sie ihr Wis­sen über In­ter­fe­renz und Beu­gung auf die Fo­to­gra­fie. Die Schü­ler/in­nen er­fah­ren an­hand von Mo­del­len, was Po­la­ri­sa­ti­on be­deu­tet. Sie ken­nen po­la­ri­sier­tes und un­po­la­ri­sier­tes Licht und des­sen Ei­gen­schaf­ten. Sie wis­sen, was Po­la­ri­sa­ti­ons­fil­ter sind, und ken­nen die Funk­ti­ons­wei­se. Sie wis­sen, wozu die­se bei­spiels­wei­se in Son­nen­bril­len oder Fil­ter für die Fo­to­gra­fie ver­wen­det wer­den.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die Über­tra­gung von Schall mit­hil­fe des Sen­der-Trä­ger-Emp­fän­ger-Mo­dells zu be­schrei­ben. Sie be­grei­fen, wie Schall er­zeugt wird und wie Schall sich aus­brei­tet. Dazu nut­zen sie das Stoff­teil­chen­mo­dell. Sie kön­nen die Vor­aus­set­zun­gen für die Über­tra­gung von Schall so­wie Bei­spie­le für Schall­quel­len und Schall­trä­ger an­ge­ben.

Die Schü­ler/-in­nen be­ob­ach­ten Ver­su­che mit ver­schie­de­nen Schall­quel­len. Sie be­grei­fen, wo­von die Laut­stär­ke ei­nes Tons ab­hängt, und kön­nen zu Ton­hö­hen und den Län­gen der schwin­gen­den Ma­te­ria­li­en Ab­hän­gig­kei­ten for­mu­lie­ren. Sie kön­nen ei­nen Zu­sam­men­hang zwi­schen der An­zahl der Schwin­gun­gen und der Fre­quenz her­stel­len. Am Os­zil­lo­skop be­ob­ach­ten und in­ter­pre­tie­ren sie Schwin­gungs­bil­der.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen das Os­zil­lo­skop als Mess­ge­rät für Schall ken­nen. Sie ver­fol­gen, wie auf un­ter­schied­li­che Ar­ten Schall er­zeugt wer­den kann, und kön­nen Ton, Klang, Ge­räusch und Knall un­ter­schei­den. Ver­schie­de­ne Schwin­gungs­bil­der kön­nen von ih­nen den un­ter­schied­li­chen Schall­ar­ten zu­ge­ord­net wer­den. Sie ken­nen den Hör­be­reich von Men­schen und kön­nen ihn ins Ver­hält­nis zu dem Fre­quenz­be­reich ver­schie­de­ner Tier­ar­ten set­zen. Da­bei ler­nen sie Ul­tra­schall von In­fra­schall zu un­ter­schei­den.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen den Auf­bau der ein­zel­nen Be­rei­che des Ohrs ken­nen. Sie be­grei­fen die phy­si­ka­li­schen As­pek­te des Hör­vor­gangs und kön­nen die Funk­ti­on von Trom­mel­fell, Ge­hör­knö­chel­chen und Ge­hör­schne­cke be­nen­nen. Die Aus­wir­kun­gen von Schall auf den Men­schen sind ih­nen ge­nau­so be­wusst wie die Be­deu­tung von Lärm­schutz.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die Vor­aus­set­zun­gen für die Über­tra­gung von Schall. Sie kön­nen die Schall­ge­schwin­dig­keit mes­sen und ver­ste­hen, war­um sich Schall in gas­för­mi­gen, flüs­si­gen und fes­ten Stof­fen un­ter­schied­lich schnell aus­brei­tet. Sie ler­nen, wie Schall re­flek­tiert wird und kön­nen Echo und Nach­hall als For­men der Schall­re­fle­xi­on un­ter­schei­den.

Die Schü­ler/-in­nen ver­glei­chen die Ei­gen­schaf­ten von Licht und Schall. Sie be­schäf­ti­gen sich mit Quel­len, Emp­fän­gern und Me­di­um ge­nau­so wie mit der Aus­brei­tung, der Licht- und Schall­ge­schwin­dig­keit, Re­fle­xi­on und Ab­sorp­ti­on so­wie mit den un­ter­schied­li­chen Wahr­neh­mungs­be­rei­chen für Licht und Schall. Sie nut­zen den Ver­gleich un­ter­schied­li­cher Teil­be­rei­che der Phy­sik, um Ge­mein­sam­kei­ten und Be­son­der­hei­ten von Licht und Schall her­aus­zu­ar­bei­ten. Sie ver­ste­hen, wo im All­tag die Kennt­nis­se von Licht und Schall hilf­reich sind.

Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass sich Schall als Schall­wel­le aus­brei­tet. Sie kön­nen die Be­grif­fe Schall­wel­le und akus­ti­sche Wel­le gleich­be­deu­tend ver­wen­den. Sie ver­ste­hen, dass Schall­wel­len im­mer eine Schall­quel­le und ein Me­di­um be­nö­ti­gen. Sie kön­nen das Phä­no­men ei­ner ste­hen­den Schall­wel­le an­hand der kundt­schen Röh­re be­ob­ach­ten und er­klä­ren. Die Aus­brei­tung von Schall in Ga­sen und idea­len Flüs­sig­kei­ten als Lon­gi­tu­di­nal­wel­len kön­nen sie mit Hil­fe des Teil­chen­mo­dells ver­ste­hen. Zu­dem kön­nen sie die Fre­quenz ei­nes Tons mit Hil­fe ei­nes Mi­kro­fons mes­sen und die Wel­len­län­ge mit der kundt­schen Röh­re be­stim­men. Aus bei­den Mess­grö­ßen kön­nen sie die Schall­ge­schwin­dig­keit be­rech­nen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die All­tags­er­fah­rung, bei der sich die wahr­ge­nom­me­ne Ton­hö­he bei be­weg­ten Schall­quel­len wie z.B. Renn­wa­gen ver­än­dert, mit dem akus­ti­schen Dopp­ler-Ef­fekt er­klä­ren. Sie kön­nen mit ei­ner Stimm­ga­bel und ei­nem Fre­quenz­mess­ge­rät nach­wei­sen, dass sich die Fre­quenz bei An­nä­he­rung der Schall­quel­le er­höht und bei Ent­fer­nung ver­rin­gert. Zu­dem kön­nen sie die Ver­stär­kung des akus­ti­schen Dopp­ler-Ef­fekts durch eine Ge­schwin­dig­keits­er­hö­hung der Schall­quel­le zei­gen. Die ma­the­ma­ti­sche Her­lei­tung der For­mel für die Fre­quenz­ver­schie­bung in die­sem Fall kön­nen sie nach­voll­zie­hen. Sie wis­sen, dass man drei Fäl­le un­ter­schei­den muss, die be­rück­sich­ti­gen, ob sich der Sen­der und/oder der Emp­fän­ger be­wegt. Sie ken­nen die zu­ge­hö­ri­gen For­meln der drei Fäl­le.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen den An­ti­schall als das Spie­gel­bild ei­nes Schall­si­gnals. Sie wis­sen, dass sich Schall und An­ti­schall ge­gen­sei­tig aus­lö­schen. Sie ver­ste­hen, dass da­für die de­struk­ti­ve In­ter­fe­renz der bei­den Schall­si­gna­le ver­ant­wort­lich ist. Sie kön­nen mit ei­nem Mu­sik­pro­gramm ei­nen An­ti­schall zu ei­nem Ton er­zeu­gen, in­dem sie ei­nen iden­ti­schen Ton ge­ne­rie­ren und ihn um 180° pha­sen­ver­schie­ben. Au­ßer­dem kön­nen sie ei­nen An­ti­schall zu ei­nem Ge­räusch durch Du­pli­zie­rung und Pha­sen­um­kehr pro­du­zie­ren. Die Pha­sen­um­kehr ver­ste­hen sie als Schlüs­sel­ele­ment der „Ac­tive Noi­se Can­cel­ling“ Tech­no­lo­gie.

An­hand ein­fa­cher Ex­pe­ri­men­te ler­nen die Schü­ler/-in­nen das grund­le­gen­de Prin­zip der elek­tri­schen La­dun­gen ken­nen und kön­nen nach­voll­zie­hen, was bei der Rei­bung zwei­er Kör­per pas­siert. Sie be­grei­fen phy­si­ka­li­sche Mo­del­le als ver­ein­fach­te Ver­an­schau­li­chung von Wirk­lich­keit und ler­nen, mit Hil­fe von Mo­del­len na­tur­wis­sen­schaft­li­che Phä­no­me­ne zu er­läu­tern. An­hand ei­nes Elek­tro­skops ver­ste­hen sie, wie man elek­tri­sche La­dung mes­sen kann.

Die Schü­ler/-in­nen be­schäf­ti­gen sich mit dem Nach­weis von po­si­ti­ver und ne­ga­ti­ver La­dung mit­tels ei­ner Glimm­lam­pe. Über ein­fa­che Ex­pe­ri­men­te ler­nen sie den La­dungs­aus­gleich ken­nen und kön­nen die­sen mit Hil­fe ei­ner Glimm­lam­pe und ei­nem Elek­tro­skop nach­wei­sen. Sie be­schäf­ti­gen sich mit dem Mo­dell des elek­tri­schen Fel­des und ler­nen, das elek­tri­sche Feld durch Feld­li­ni­en zu ver­an­schau­li­chen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die La­dungs­tren­nung in­ner­halb ei­nes Kör­pers durch In­flu­enz er­klä­ren. Sie ver­ste­hen den Fun­ken­schlag als La­dungs­aus­gleich bei stark un­ter­schied­li­chen La­dun­gen und re­pro­du­zie­ren die­sen mit ein­fa­chen Ex­pe­ri­men­ten. Sie kön­nen den Auf­bau und die Wir­kung ei­ner In­flu­enz­ma­schi­ne er­läu­tern. Die Ent­ste­hung von Ge­wit­tern und Blit­zen kann von den Schü­ler/-in­nen nach­voll­zo­gen wer­den und sie ken­nen die Ver­hal­tens­re­geln bei Ge­wit­tern.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, was elek­tri­scher Strom ist und auf wel­chem Prin­zip elek­tri­scher Strom ba­siert. Sie ken­nen die Bau­tei­le ei­nes ein­fa­chen Strom­krei­ses und kön­nen ei­nen Strom­kreis bau­en. Mit Hil­fe ei­nes Schalt­plans und Schalt­zei­chen sind sie in der Lage, ei­nen Strom­kreis ein­fach und über­sicht­lich dar­zu­stel­len. Sie kön­nen un­ge­woll­te und ge­woll­te Un­ter­bre­chun­gen ei­nes Strom­krei­ses un­ter­schei­den und be­grei­fen die Funk­ti­on von Schal­tern.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen, mit Hil­fe von elek­tri­schen Ge­rä­ten, En­er­gie­quel­len und Schal­tern ein­fa­che Rei­hen- und Par­al­lel­schal­tun­gen (Haus­halts­schal­tun­gen) auf­zu­bau­en. Sie kön­nen Rei­hen- und Par­al­lel­schal­tun­gen un­ter­schei­den und die Vor- und Nach­tei­le be­nen­nen. An­hand von An­wen­dungs­bei­spie­len aus dem All­tag ver­ste­hen sie, wie über UND-, ODER- so­wie Wech­sel­schal­tun­gen die Strom­we­ge ge­lenkt wer­den kön­nen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die elek­tri­sche Leit­fä­hig­keit von Stof­fen un­ter­su­chen und Bei­spie­le für Lei­ter und Nicht-Lei­ter be­nen­nen. Sie sind in der Lage, Fest­kör­per und Flüs­sig­kei­ten nach ih­rer Leit­fä­hig­keit zu ord­nen und kön­nen be­schrei­ben, wel­chen Ein­fluss die frei­en La­dungs­trä­ger in ei­nem Stoff auf die Leit­fä­hig­keit des Stof­fes ha­ben. Sie ken­nen nütz­li­che An­wen­dun­gen rund um die Leit­fä­hig­keit von ver­schie­de­nen Stof­fen. Die Ge­fahr beim Um­gang mit elek­tri­schen Ge­rä­ten ist ih­nen be­wusst und sie kön­nen be­grün­den, wo und war­um Strom dem mensch­li­chen Kör­per scha­den kann.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Wir­kun­gen des elek­tri­schen Stroms be­nen­nen und da­für je­weils Bei­spie­le an­ge­ben. Sie kön­nen be­schrei­ben, wie elek­tri­scher Strom zum Gal­va­ni­sie­ren ge­nutzt wird. An­hand von Ex­pe­ri­men­ten sind sie in der Lage, die Wär­me- und Licht­wir­kung des elek­tri­schen Stroms nach­zu­voll­zie­hen. Sie kön­nen die ma­gne­ti­sche Wir­kung von elek­tri­schem Strom de­mons­trie­ren und den Auf­bau ei­nes Elek­tro­ma­gne­ten be­schrei­ben.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die elek­tri­sche Strom­stär­ke be­schrei­ben. Sie ken­nen die Ein­hei­ten der elek­tri­schen Strom­stär­ke und wis­sen, wie man die Strom­stär­ke mit ei­nem Viel­fach­mess­ge­rät misst. Sie kön­nen die Strom­stär­ke in ei­ner Rei­hen­schal­tung mes­sen und ver­ste­hen, wie­so die Strom­stär­ke an je­der Stel­le im Strom­kreis gleich ist. Sie sind in der Lage, die Strom­stär­ke in ei­ner Par­al­lel­schal­tung zu mes­sen. Sie kön­nen er­klä­ren, war­um die Ge­samt­strom­stär­ke in ei­ner Par­al­lel­schal­tung gleich der Sum­me der Teil­strom­stär­ken ist.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen die elek­tri­sche Span­nung als An­trieb ei­nes Strom­krei­ses und da­mit als Ur­sa­che für den elek­tri­schen Strom. Sie kön­nen die Ein­heit der elek­tri­schen Span­nung an­ge­ben und Bei­spie­le für En­er­gie­quel­len mit un­ter­schied­li­cher Span­nung nen­nen. Sie sind in der Lage, die elek­tri­sche Span­nung mit ei­nem Mul­ti­me­ter zu be­stim­men. Sie ver­ste­hen, wie sich die Span­nung in ei­ner Rei­hen- und in ei­ner Par­al­lel­schal­tung ver­teilt. Mit Hil­fe des Was­ser­mo­dells kön­nen sich die Schü­ler/-in­nen die Vor­gän­ge in ei­nem elek­tri­schen Strom­kreis bes­ser er­klä­ren. Sie be­grei­fen die Hö­hen- und La­dungs­dif­fe­renz als Maß für den An­trieb des elek­tri­schen Stroms.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, dass alle Lei­ter ei­nen elek­tri­schen Wi­der­stand be­sit­zen, der den elek­tri­schen Strom hemmt. Sie kön­nen For­mel- und Ein­hei­ten­zei­chen des elek­tri­schen Wi­der­stands an­ge­ben und wis­sen, wie man den elek­tri­schen Wi­der­stand be­rech­net. An­hand von Ex­pe­ri­men­ten er­ken­nen sie, dass der Wi­der­stands­wert ei­nes Kalt­lei­ters von ver­schie­de­nen Fak­to­ren ab­hän­gig ist. Die Schü­ler/-in­nen er­stel­len Wer­t­e­ta­bel­len, in­ter­pre­tie­ren die Mess­wer­te, stel­len sie gra­fisch dar und über­prü­fen ihre Hy­po­the­sen durch ma­the­ma­ti­sche Be­rech­nun­gen. Sie ken­nen das Ohm­sche Ge­setz und bil­den Kenn­li­ni­en für ver­schie­de­ne Lei­ter.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die Ab­hän­gig­keit des Wi­der­stands ei­nes Lei­ters von sei­ner Län­ge, sei­nem Quer­schnitt und sei­nem Ma­te­ri­al ken­nen. Sie kön­nen sich den pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen Wi­der­stand und Län­ge des Lei­ters aus ei­ner Mess­rei­he mit an­schlie­ßen­der gra­phi­scher Aus­wer­tung er­ar­bei­ten. Auf ähn­li­che Wei­se kön­nen sie auch den um­ge­kehrt pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen Wi­der­stand und Quer­schnitts­flä­che des Lei­ters aus ei­ner Mess­rei­he ab­lei­ten. Dar­aus kön­nen sie das Wi­der­stands­ge­setz er­mit­teln und den spe­zi­fi­schen Wi­der­stand als Pro­por­tio­na­li­täts­fak­tor be­nen­nen.

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler wer­den mit der Kno­ten- und Ma­schen­re­gel ver­traut ge­macht und wis­sen, dass die­se bei­den Grund­re­geln auch als Kirch­hoff­sche Re­geln be­zeich­net wer­den. Sie ver­ste­hen die Kno­ten­re­gel an­hand der Elek­tro­nen­be­we­gung an Kno­ten­punk­ten und kön­nen die Kno­ten­re­gel durch Strom­mes­sun­gen über­prü­fen. Die Ma­schen­re­gel ver­ste­hen die Schü­le­rin­nen und Schü­ler aus­ge­hend von der De­fi­ni­ti­on ei­ner Ma­sche in ei­nem elek­tri­schen Strom­kreis. Sie kön­nen die Ma­schen­re­gel durch Span­nungs­mes­sun­gen über­prü­fen.

Die Schü­le­rin­nen und Schü­ler ler­nen die elek­tri­sche Leis­tung im Zu­sam­men­hang von elek­tro­ni­schen Ge­rä­ten im Haus­halt ken­nen. Sie ver­ste­hen, dass die­se Ge­rä­te eine be­stimm­te elek­tri­sche Leis­tung be­nö­ti­gen, um ihre Funk­ti­on zu er­fül­len. Die For­mel der elek­tri­schen Leis­tung als Pro­dukt aus Span­nung und Strom­stär­ke kön­nen sich die Schü­ler/-in­nen durch Ver­su­che und Mes­sun­gen er­ar­bei­ten. Aus die­ser For­mel und des all­ge­mei­nen Zu­sam­men­hangs zwi­schen Leis­tung und En­er­gie kön­nen sie sich auch eine For­mel für die elek­tri­sche En­er­gie her­lei­ten und den Ver­brauch von elek­tro­ni­schen Ge­rä­ten im Haus­halt be­rech­nen.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen den Oer­stedt-Ver­such so­wie den Fa­ra­day-Ver­such ken­nen und kön­nen bei­de Ver­su­che his­to­risch ein­ord­nen. Sie kön­nen die Um­wand­lung zwi­schen elek­tri­scher und me­cha­ni­scher En­er­gie an­hand vom Zu­sam­men­hang von Be­we­gung, Ma­gnet­feld und Strom er­klä­ren. Sie ken­nen die Lin­ke-Faust-Re­gel für ei­nen strom­durch­flos­se­nen Lei­ter so­wie das In­duk­ti­ons­prin­zip. An­hand der Drei-Fin­ger-Re­gel der lin­ken Hand kön­nen die Schü­ler/-in­nen die Rich­tung der Lo­rentz­kraft be­stim­men. Sie ken­nen den Auf­bau, die An­wen­dung und die Wir­kungs­wei­se ei­nes Ge­ne­ra­tors.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len den Auf­bau und die Wir­kungs­wei­se von Ge­ne­ra­to­ren, spe­zi­ell vom Dy­na­mo, den Oer­stedt- Ver­such und das In­duk­ti­ons­ge­setz. Sie ver­tie­fen den Be­griff der Hy­po­the­sen­bil­dung und ler­nen eine Stra­te­gie zur theo­re­ti­schen Be­wer­tung ei­ner Hy­po­the­se. Der Auf­bau und die Ar­beits­wei­se des Elek­tro­mo­tors sind ih­nen ver­traut. Sie ken­nen Ro­tor, Sta­tor und Kom­mu­ta­tor. Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die phy­si­ka­li­sche Grö­ße der elek­tri­schen Leis­tung grund­sätz­lich ken­nen. Sie ken­nen den Be­griff En­er­gie­wand­ler, Wir­kungs­grad so­wie ty­pi­sche Wir­kungs­gra­de und kön­nen ein­fa­che Be­rech­nun­gen nach­voll­zie­hen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen durch In­duk­ti­on eine Wech­sel­span­nung er­zeu­gen. Sie wis­sen, dass eine Wech­sel­span­nung durch ei­nen pe­ri­odi­schen Wech­sel der Po­la­ri­tät cha­rak­te­ri­siert ist. Sie kön­nen eine Wech­sel­span­nung da­durch von ei­ner Gleich­span­nung un­ter­schei­den. Die Am­pli­tu­de, Pe­ri­oden­dau­er und Fre­quenz ei­ner Wech­sel­span­nung sind ih­nen als we­sent­li­che Merk­ma­le be­kannt. Sie wis­sen, dass es ne­ben der Si­nus­span­nung auch an­de­re For­men der Wech­sel­span­nung gibt. Mit ei­nem Funk­ti­ons­ge­ne­ra­tor kön­nen sie eine Drei­eck­span­nung und eine Recht­eck­span­nung er­zeu­gen. Sie ken­nen An­wen­dun­gen der ver­schie­de­nen Wech­sel­span­nungs­si­gna­le in der Tech­nik.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen den Auf­bau und die Funk­ti­ons­wei­se ei­nes Trans­for­ma­tors. Sie wis­sen, dass die Ein­gangs­wech­sel­span­nung ein ma­gne­ti­sches Feld mit wech­seln­der Po­lung in der Pri­mär­spu­le er­zeugt und eine Aus­gangs­wech­sel­span­nung in der Se­kun­där­spu­le in­du­ziert. Ih­nen ist be­wusst, dass die Über­tra­gung der elek­tri­schen En­er­gie mit Hil­fe ei­nes fer­ro­ma­gne­ti­schen Ei­sen­kerns er­höht wer­den kann. Die Ab­hän­gig­keit der Strom- und Span­nungs­über­tra­gung von den Win­dungs­zah­len der Pri­mär- und Se­kun­där­spu­le kön­nen sie sich durch Mes­sun­gen er­ar­bei­ten. Zu­dem wis­sen sie, dass Trans­for­ma­to­ren in Netz­tei­le und La­de­ge­rä­te ver­baut wer­den, um die Netz­span­nung in eine Klein­span­nung zu trans­for­mie­ren. An­hand ei­ner of­fe­nen, elek­tri­schen Zahn­bürs­te kön­nen sie die Zu­sam­men­hän­ge prak­tisch nach­voll­zie­hen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Halb­lei­ter zu den Heiß­lei­tern zu­ord­nen. Sie wis­sen, dass Heiß­lei­ter bei ho­hen Tem­pe­ra­tu­ren den elek­tri­schen Strom bes­ser lei­ten als bei nied­ri­gen Tem­pe­ra­tu­ren. In ei­nem Ver­such mit ei­nem NTC-Wi­der­stand kön­nen sie nach­voll­zie­hen, dass durch die­se Ei­gen­schaft Ein­schalt­vor­gän­ge ver­zö­gert wer­den kön­nen. Von den Heiß­lei­tern kön­nen sie die Kalt­lei­ter un­ter­schei­den, die bei nied­ri­gen Tem­pe­ra­tu­ren eine bes­se­re Leit­fä­hig­keit be­sit­zen. Aus der ex­pe­ri­men­tel­len Un­ter­su­chung der tem­pe­ra­tur­ab­hän­gi­gen Ent­wick­lung des ohm­schen Wi­der­stands ei­nes Halb­lei­ters kön­nen sie ei­nen ex­po­nen­ti­el­len Zu­sam­men­hang gra­phisch er­mit­teln. Sie ver­ste­hen, dass man die Leit­fä­hig­keit von Halb­lei­tern bei tie­fen Tem­pe­ra­tu­ren durch eine Do­tie­rung deut­lich er­hö­hen kann. Die n-Do­tie­rung kön­nen sie von der p-Do­tie­rung un­ter­schei­den und bei­de Do­tie­run­gen auf ato­ma­rer Ebe­ne er­klä­ren.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen das elek­tri­sche Ver­hal­ten ei­ner Di­ode bei ei­ner Schal­tung in Durch­lass- und Sperr­rich­tung. Sie wis­sen, dass eine Di­ode aus ei­ner n-do­tier­ten und ei­ner p-do­tier­ten Halb­lei­ter­schicht be­steht. Die Funk­ti­ons­wei­se ei­ner Di­ode kön­nen sie mit Hil­fe der Raum­la­dungs­zo­ne in der Grenz­schicht er­klä­ren. Au­ßer­dem kön­nen sie eine Strom-Span­nungs-Kenn­li­nie ei­ner Di­ode ex­pe­ri­men­tell ge­win­nen. Die Schwel­len­span­nung als eine der wich­tigs­ten Kenn­grö­ßen ei­ner Di­ode kön­nen sie dar­aus gra­phisch er­mit­teln. Zu­dem wis­sen sie, dass zwei ent­ge­gen­ge­setzt ge­schal­te­te Di­oden Teil ei­nes Tran­sis­tors sind. Sie ver­ste­hen den Auf­bau und die Funk­ti­ons­wei­se ei­nes npn-Tran­sis­tors. Den Tran­sis­tor-Ef­fekt kön­nen sie nut­zen, um ei­nen Tran­sis­tor als elek­tro­ni­schen Schal­ter zu ver­wen­den.

Die Schü­ler/-in­nen er­hal­ten eine Ein­füh­rung in das The­ma me­cha­ni­sche Ar­beit und En­er­gie. Sie ver­ste­hen, was Ar­beit im phy­si­ka­li­schen Sinn be­deu­tet und wie die­se mit der En­er­gie zu­sam­men­hängt. Mit­tels an­schau­li­cher Ex­pe­ri­men­te sind sie in der Lage, den Be­zug zu All­tags­phä­no­me­nen her­zu­stel­len, in de­nen Ar­beit ver­rich­tet wird. Die Schü­ler/-in­nen ken­nen ver­schie­de­ne Ar­ten der Ar­beit und die dazu zu­ge­hö­ri­gen ma­the­ma­ti­schen De­fi­ni­tio­nen.

Die Schü­ler/-in­nen er­lan­gen ei­nen ver­tief­ten Ein­blick in die En­er­gie als phy­si­ka­li­sche Grö­ße. Sie ler­nen das Phä­no­men der En­er­gie­um­wand­lung an­hand all­tags­na­her, me­cha­ni­scher Ex­pe­ri­men­te ken­nen und kön­nen an­schlie­ßend me­cha­ni­sche En­er­gie­for­men un­ter­schei­den. Die La­ge­en­er­gie wird ma­the­ma­tisch de­fi­niert. Sie ver­ste­hen ei­nen der wich­tigs­ten Ge­setz­mä­ßig­kei­ten in der Phy­sik, den En­er­gie­er­hal­tungs­satz.

Die Schü­ler/-in­nen er­lan­gen ei­nen ver­tief­ten Ein­blick in die Ar­beit und En­er­gie als phy­si­ka­li­sche Grö­ßen. Sie ver­ste­hen die gol­de­ne Re­gel der Me­cha­nik, die sich aus der De­fi­ni­ti­on der Ar­beit als Pro­dukt aus Kraft und Weg er­gibt. An­hand all­tags­na­her Ex­pe­ri­men­te be­grei­fen sie, wie man dank der gol­de­nen Re­gel der Me­cha­nik Kraft spa­ren kann, und kön­nen die­ses Wis­sen bei ei­ner Fahr­rad­gang­schal­tung an­wen­den.

Die Schü­ler/-in­nen ha­ben ein ver­tief­tes Ver­ständ­nis vom Phä­no­men der Rei­bung. Sie kön­nen die ver­schie­de­nen Ar­ten der Rei­bung an­hand grund­le­gen­der Ver­su­che un­ter­schei­den. Sie ver­ste­hen, wo­von die Haft-, Roll- und Gleit­rei­bung ab­hängt und in wel­chem Zu­sam­men­hang sie ste­hen. Den Schü­le­rin­nen und Schü­lern ist die Be­deut­sam­keit des Ra­des be­wusst. Au­ßer­dem ha­ben sie ei­nen ver­tief­ten Ein­blick in das all­ge­gen­wär­ti­ge Phä­no­men der Luf­trei­bung und kön­nen die Fak­to­ren be­nen­nen, von de­nen der Luft­wi­der­stands­bei­wert ab­hängt.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die phy­si­ka­li­sche Be­deu­tung der Leis­tung. Sie ver­ste­hen den Zu­sam­men­hang der Leis­tung zur Ar­beit und Zeit. Die ma­the­ma­ti­sche De­fi­ni­ti­on der Leis­tung ist den Schü­le­rin­nen und Schü­lern be­kannt. Sie ver­ste­hen, war­um hö­he­re Ge­schwin­dig­kei­ten von Fahr­zeu­gen durch mehr Leis­tung er­reicht wer­den kön­nen. An­hand von Kraft-, Weg- und Zeit­mes­sun­gen kön­nen die Schü­lern/-in­nen die Leis­tung ex­pe­ri­men­tell be­stim­men.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen die Wir­kungs­wei­se des Dru­ckes an­hand von Ver­for­mun­gen. Sie ken­nen den Zu­sam­men­hang des Dru­ckes zur Kraft und Flä­che. Die ma­the­ma­ti­sche De­fi­ni­ti­on des Dru­ckes ist den Schü­le­rin­nen und Schü­lern be­kannt. Sie ver­ste­hen, war­um Ge­gen­stän­de durch eine hohe Kraft­wir­kung und eine klei­ne Kon­takt­flä­che stark ver­formt wer­den kön­nen. An­hand von Ge­wichts- und Län­gen­mes­sun­gen kön­nen die Schü­ler/-in­nen den Auf­la­ge­druck von All­tags­ge­gen­stän­den ex­pe­ri­men­tell be­stim­men.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen das Phä­no­men des Schwe­re­drucks in Flüs­sig­kei­ten. An­hand von Frei­hand­ver­su­chen mit Lö­chern in Was­ser­fla­schen ver­ste­hen sie, wie der Schwe­re­druck mit zu­neh­men­der Tie­fe steigt. Sie kön­nen den Schwe­re­druck in Flüs­sig­kei­ten mit Hil­fe ei­ner Druck­son­de und ei­nem Druck­sen­sor mes­sen. Den pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen Ein­tauch­tie­fe und Schwe­re­druck kön­nen sie aus den Mess­ergeb­nis­sen ab­lei­ten. Die ver­tie­fen­de Her­lei­tung die­ses Zu­sam­men­hangs ver­ste­hen sie aus­ge­hend von ih­rem Ba­sis­wis­sen des Drucks als Quo­ti­ent von Kraft und Flä­che. An­hand der her­ge­lei­te­ten For­mel für den Schwe­re­druck kön­nen sie den pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen Schwe­re­druck und Dich­te der Flüs­sig­keit ab­le­sen.

Die Schü­ler/-in­nen sind mit dem phy­si­ka­li­schen Phä­no­men des Auf­triebs in Flüs­sig­kei­ten ver­traut. Sie ver­ste­hen, war­um man­che Kör­per in Was­ser zu Bo­den sin­ken und an­de­re auf der Ober­flä­che schwim­men. Ih­nen ist be­wusst, dass das Vo­lu­men ei­nes in Was­ser ge­tauch­ten Kör­pers Ein­fluss auf den Auf­trieb hat. Eben­so ver­ste­hen sie, dass der Auf­trieb von der Ein­tauch­tie­fe des Kör­pers ab­hängt. Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Auf­triebs­kraft ex­pe­ri­men­tell be­stim­men und an­hand der Mess­ergeb­nis­se den pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen der Auf­triebs­kraft und dem ein­ge­tauch­ten Vo­lu­men er­schlie­ßen. An­hand der For­mel der Auf­triebs­kraft ver­ste­hen sie den pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen der Auf­triebs­kraft und der Dich­te der Flüs­sig­keit.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die Funk­ti­ons­wei­se ei­nes Fe­der-Schwe­re-Pen­dels ken­nen. Sie ver­ste­hen die Schwin­gungs­be­we­gung als das Re­sul­tat des Zu­sam­men­spiels der kon­stan­ten Ge­wichts­kraft des Pen­del­kör­pers und der Fe­der­kraft, die sich nach dem hoo­ke­schen Ge­setz per­ma­nent mit der mo­men­ta­nen Aus­len­kung ver­än­dert. Grund­le­gen­de Be­grif­fe der Schwin­gungs­leh­re wie me­cha­ni­sche Schwin­gung, vol­le Schwin­gung, Schwin­gungs­dau­er (Pe­ri­ode) und Am­pli­tu­de ha­ben die Schü­ler/-in­nen im Kon­text des Fe­der-Schwe­re-Pen­dels ken­nen­ge­lernt. Zu­dem kön­nen sie die Un­ab­hän­gig­keit der Schwin­gungs­dau­er von der Am­pli­tu­de ex­pe­ri­men­tell nach­wei­sen.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen das Zu­sam­men­wir­ken von Kräf­ten am Bei­spiel der schie­fen Ebe­ne er­klä­ren. Sie ver­ste­hen, dass die Hang­ab­triebs­kraft und Nor­mal­kraft aus der Ge­wichts­kraft des Kör­pers auf der schie­fen Ebe­ne re­sul­tie­ren. Sie kön­nen die­se bei­den Teil­kräf­te durch eine Kräf­te­zer­le­gung geo­me­trisch be­stim­men und For­meln da­für her­lei­ten. Die her­ge­lei­te­ten For­meln kön­nen sie durch Kraft­mes­sun­gen mit ei­nem Mess­wa­gen auf der schie­fen Ebe­ne über­prü­fen. Sie er­ken­nen die­sen Weg der Er­kennt­nis­ge­win­nung von der Theo­rie zur ex­pe­ri­men­tel­len Über­prü­fung als De­duk­ti­on und kön­nen die De­duk­ti­on von der In­duk­ti­on un­ter­schei­den.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen wie me­cha­ni­sche Wel­len durch Kopp­lung und An­re­gung ein­zel­ner Os­zil­la­to­ren ent­ste­hen. Sie wis­sen, dass sich eine Wel­le im Ge­gen­satz zu ei­ner ein­zel­nen Schwin­gung räum­lich aus­brei­tet. An­hand ei­ner Wel­len­ma­schi­ne kön­nen sie cha­rak­te­ris­ti­sche Grö­ßen wie die Am­pli­tu­de, Schwin­gungs­dau­er und Wel­len­län­ge er­mit­teln. Die Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit ei­ner Wel­le kön­nen sie aus der Wel­len­län­ge und Schwin­gungs­dau­er be­rech­nen. Zu­dem kön­nen sie Trans­ver­sal­wel­len von Lon­gi­tu­di­nal­wel­len un­ter­schei­den. Das Phä­no­men ste­hen­der Wel­len ver­ste­hen sie mit Hil­fe der Re­fle­xi­on und In­ter­fe­renz. Sie kön­nen eine ste­hen­de Wel­le mit ei­ner Wel­len­ma­schi­ne und ei­nem Seil nach­bil­den.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen ver­schie­de­ne Mei­nun­gen zur Aus­brei­tung me­cha­ni­scher Wel­len be­wer­ten. Sie ken­nen die ma­the­ma­ti­schen Zu­sam­men­hän­ge zwi­schen Wel­len­län­ge, Schwin­gungs­dau­er, Fre­quenz und Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit. Sie kön­nen die zu­rück­ge­leg­te Stre­cke und die ver­stri­che­ne Zeit ei­ner Pha­se ei­ner Wel­le, die mit ei­ner Wel­len­ma­schi­ne er­zeugt wur­de, mes­sen. Aus den Mess­ergeb­nis­sen kön­nen sie die Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit be­rech­nen. Sie kön­nen aus ver­schie­de­nen An­re­gungs­fre­quen­zen er­mit­teln, dass die Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit in­ner­halb ei­nes be­stimm­ten Me­di­ums kon­stant ist. Sie ver­ste­hen, dass erst der Über­gang in ein an­de­res Me­di­um zur Ver­än­de­rung der Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit führt.

Die Schü­ler/-in­nen sind mit den ver­schie­de­nen Aus­brei­tungs­for­men me­cha­ni­scher Wel­len ver­traut. An­hand von Was­ser­wel­len ver­ste­hen sie den Un­ter­schied zwi­schen Kreis­wel­len und ge­ra­den Wel­len. Die Form der Wel­len­fron­ten kön­nen sie be­nen­nen. Sie ken­nen das Phä­no­men der Beu­gung und kön­nen es mit dem Hu­y­gens-Prin­zip er­klä­ren. Den Be­griff der Ele­men­tar­wel­le kön­nen sie rich­tig ein­ord­nen. Die im Zu­sam­men­hang der Beu­gung auf­tre­ten­den In­ter­fe­renz­erschei­nun­gen kön­nen sie mit Hil­fe kon­struk­ti­ver und de­struk­ti­ver In­ter­fe­renz er­klä­ren.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen das cha­rak­te­ris­ti­sche Merk­mal ei­ner ge­dämpf­ten Schwin­gung. Sie wis­sen, dass bei ei­ner ge­dämpf­ten Schwin­gung im Ge­gen­satz zu ei­ner un­ge­dämpf­ten Schwin­gung die Am­pli­tu­de mit der Zeit ab­klingt. Die Kur­ve, die das Ab­klin­gen der Am­pli­tu­de be­schreibt, kön­nen sie als Ein­hül­len­de oder Ab­kling­kur­ve be­nen­nen und gra­phisch dar­stel­len. Die Schü­ler/-in­nen wis­sen zu­dem, dass die Ab­kling­kon­stan­te auch als Ab­kling­ko­ef­fi­zi­ent oder Dämp­fungs­kon­stan­te be­zeich­net wird und ein Maß für die Stär­ke der Dämp­fung ist. Die Dich­te und die Vis­ko­si­tät des um­ge­ben­den Me­di­ums ei­nes schwin­gen­den Sys­tems er­ken­nen sie als maß­geb­li­che Fak­to­ren, die die Stär­ke der Dämp­fung be­ein­flus­sen. Au­ßer­dem ver­ste­hen sie, wie ein Stoß­dämp­fer in ei­nem Fahr­zeug funk­tio­niert.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen eine er­zwun­ge­ne Schwin­gung von ei­ner frei­en Schwin­gung un­ter­schei­den. Sie wis­sen, dass ein Os­zil­la­tor bei ei­ner frei­en, un­ge­dämpf­ten Schwin­gung mit sei­ner Ei­gen­fre­quenz schwingt. Von der Ei­gen­fre­quenz kön­nen sie die Er­re­ger­fre­quenz ei­ner äu­ße­ren Kraft­ein­wir­kung un­ter­schei­den. Ih­nen ist be­wusst, dass es zur Re­so­nanz kommt, wenn die Er­re­ger­fre­quenz mit ei­ner Re­so­nanz­fre­quenz über­ein­stimmt. Sie ver­ste­hen, dass ste­hen­de Wel­len auch Re­so­nanz­fäl­le dar­stel­len. Sie kön­nen mit ei­nem elas­ti­schen Seil die Grund­schwin­gung und die ers­ten Ober­schwin­gun­gen er­zeu­gen. Sie ken­nen die all­ge­mei­nen Re­so­nanz­be­din­gun­gen und kön­nen dar­aus Re­so­nanz­fre­quen­zen be­rech­nen. Au­ßer­dem ist ih­nen die po­ten­ti­el­le Ge­fahr ei­ner über­mä­ßi­gen Schwin­gungs­am­pli­tu­de im Re­so­nanz­fall be­kannt, die zu ei­ner Re­so­nanz­ka­ta­stro­phe füh­ren kann.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen all­täg­li­che Phä­no­me­ne der Ober­flä­chen­span­nung von Was­ser mit Hil­fe von an­zie­hen­den Ko­hä­si­ons­kräf­ten zwi­schen den Mo­le­kü­len der Flüs­sig­keit er­klä­ren. Sie wis­sen, dass die Ober­flä­chen­span­nung da­nach strebt die Ober­flä­che zu mi­ni­mie­ren. Mit die­ser Grund­re­gel kön­nen sie auch er­klä­ren, war­um Flüs­sig­keits­trop­fen ku­gel­för­mig sind. Die Ab­wei­chun­gen der Ku­gel­ge­stalt beim Kon­takt mit fes­ten Kör­pern kön­nen sie mit den an­zie­hen­den Ad­hä­si­ons­kräf­ten zwi­schen den Teil­chen der Flüs­sig­keit und des Fest­kör­pers er­klä­ren. An­hand von Ver­su­chen mit ver­schie­de­nen Flüs­sig­kei­ten und Fest­kör­pern kön­nen sie zei­gen, dass die Stär­ke der Ko­hä­si­ons- und Ad­hä­si­ons­kräf­te stoff­ab­hän­gig ist. Ver­tie­fend kön­nen sie auch die Ober­flä­chen­span­nung ei­ner Flüs­sig­keit mit Hil­fe der Ab­reiß­me­tho­de be­stim­men.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen phy­si­ka­li­sche Grö­ßen ei­ner ge­rad­li­nig gleich­för­mi­gen Be­we­gung nen­nen und ken­nen de­ren For­mel­zei­chen und Ein­hei­ten. Sie sind in der Lage, die Ent­wick­lung der Be­we­gungs­dia­gram­me aus ge­mes­se­nen Punk­ten nach­zu­voll­zie­hen und ken­nen de­ren ty­pi­schen Ver­lauf. An­hand ma­the­ma­ti­scher Grund­kennt­nis­se ent­wi­ckeln sie die Be­we­gungs­glei­chun­gen und kön­nen die­se be­nen­nen. Sie wie­der­ho­len, was eine ge­rad­li­nig gleich­för­mi­ge Be­we­gung ist und kön­nen Bei­spie­le be­grün­det an­ge­ben.

Die Schü­ler/-in­nen set­zen sich mit den phy­si­ka­li­schen Grö­ßen ei­ner ge­rad­li­ni­gen, gleich­mä­ßig be­schleu­nig­ten Be­we­gung aus­ein­an­der. Sie ver­ste­hen die Ent­wick­lung der Be­we­gungs­dia­gram­me, kön­nen sie aus Ex­pe­ri­men­ten zu gleich­mä­ßig be­schleu­nig­ten Be­we­gun­gen nach­voll­zie­hen. Sie be­grei­fen de­ren ty­pi­schen Ver­lauf. Sie wis­sen, wie man an­hand ma­the­ma­ti­scher Grund­kennt­nis­se die Be­we­gungs­glei­chun­gen ent­wi­ckelt und kön­nen die­se be­nen­nen. Da­bei er­hal­ten sie ei­nen grund­le­gen­den Ein­blick in die Ver­wen­dung der For­meln.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len die Be­we­gungs­ar­ten der ge­rad­li­nig gleich­för­mi­gen und ge­rad­li­nig gleich­mä­ßig be­schleu­nig­ten Be­we­gung. Sie er­ken­nen den frei­en Fall als Son­der­form der ge­rad­li­nig gleich­mä­ßig be­schleu­nig­ten Be­we­gung. Sie ken­nen die kon­stan­te Be­schleu­ni­gung beim frei­en Fall und kön­nen die­se als Erd­be­schleu­ni­gung mit For­mel­zei­chen und Ein­heit be­nen­nen. Der de­duk­ti­ve Weg der ex­pe­ri­men­tel­len Er­kennt­nis­ge­win­nung ist den Schü­le­rin­nen und Schü­lern be­kannt, und sie kön­nen den Ab­lauf nach­voll­zie­hen.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die Phä­no­me­ne, die bei der gleich­för­mi­gen Kreis­be­we­gung auf­tre­ten. Sie ver­ste­hen, dass die Bahn­ge­schwin­dig­keit vom Bahn­radi­us ab­hängt, die Win­kel­ge­schwin­dig­keit je­doch für die ge­sam­te, ro­tie­ren­de An­ord­nung gleich ist. Die Wir­kungs­wei­se der Zen­tri­fu­gal­kraft als nach au­ßen ge­rich­te­te Schein­kraft ha­ben sie ver­in­ner­licht. Sie kön­nen sich ihre ma­the­ma­ti­sche De­fi­ni­ti­on aus Mes­sun­gen mit ei­nem ro­tie­ren­den Dreh­arm er­ar­bei­ten. Die Zen­tri­pe­tal­kraft als ent­ge­gen­ge­setz­te, phy­si­ka­lisch rea­le Kraft er­ken­nen sie als not­wen­di­ge Kraft, um ei­nen Kör­per auf ei­ner Kreis­bahn zu hal­ten.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen die Er­fah­rungs­grö­ße Wucht und Schwung als phy­si­ka­li­sche Grö­ße Im­puls ken­nen. Sie ken­nen die De­fi­ni­ti­on, die For­mel und die Ein­heit des Im­pul­ses und kön­nen ent­spre­chen­de Pro­por­tio­na­li­tät for­mu­lie­ren. An­hand von All­tags­bei­spie­len kön­nen sie den Im­puls ty­pi­scher Im­puls­grö­ßen ab­schät­zen und mit­ein­an­der ver­glei­chen. Dazu rech­nen sie Mas­se und Ge­schwin­dig­keit in die ent­spre­chen­den Grö­ßen um. Sie ken­nen die Ei­gen­schaf­ten des Im­pul­ses, wis­sen, dass der Im­puls eine ge­rich­te­te Grö­ße ist, und kön­nen die Wege des Im­pul­ses bei­spiel­haft er­läu­tern.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, dass der Im­puls nicht ent­steht, son­dern im­mer über­tra­gen wird. Sie be­grei­fen, dass bei ei­ner Ver­lang­sa­mung oder Rich­tungs­än­de­rung Im­puls im­mer an ei­nen an­de­ren Kör­per über­tra­gen wird. Den Un­ter­schied zur phy­si­ka­li­schen Grö­ße En­er­gie kön­nen sie er­klä­ren. An­hand ei­nes Ex­pe­ri­ments kön­nen sie den Im­puls als Er­hal­tungs­grö­ße nach­wei­sen und den Im­puls­er­hal­tungs­satz be­schrei­ben. Sie be­rech­nen die Im­pul­se zwei­er Kör­per vor und nach ei­ner Wech­sel­wir­kung und wis­sen, was der Im­puls­er­hal­tungs­satz aus­sagt.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len ihre Kennt­nis­se zum Im­puls, zur Be­we­gungs­en­er­gie und zu den Er­hal­tungs­sät­zen. Sie wis­sen, was ein Stoß ist und kön­nen elas­ti­sche und un­elas­ti­sche Stö­ße un­ter­schei­den. Ty­pi­sche Bei­spie­le für elas­ti­sche und un­elas­ti­sche Stö­ße sind ih­nen be­kannt. Die Schü­ler/-in­nen ken­nen eine Vor­ge­hens­wei­se, um ty­pi­sche Son­der­fäl­le ex­pe­ri­men­tell zu un­ter­schei­den, und wis­sen, dass man zwi­schen zen­tra­len und nicht zen­tra­len Stö­ßen un­ter­schei­den muss. Die aus den Er­hal­tungs­sät­zen re­sul­tie­ren­den Bi­lanz­glei­chun­gen für elas­ti­sche und un­elas­ti­sche Stö­ße kön­nen sie nach­voll­zie­hen. Sie wis­sen, dass die­se Glei­chun­gen die Ba­sis für Be­rech­nun­gen und Vor­her­sa­gen von Stoß­re­sul­ta­ten sind.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die gleich­för­mi­ge Be­we­gung und die gleich­mä­ßig be­schleu­nig­te Be­we­gung mit Hil­fe der re­sul­tie­ren­den Kraft un­ter­schei­den. Sie ver­ste­hen, dass der Ort ei­nes Kör­pers auf sei­ner Bahn­kur­ve von der Zeit ab­hängt. Für den Fall der gleich­mä­ßig be­schleu­nig­ten Be­we­gung ken­nen sie ein all­ge­mei­nes Sche­ma zur rich­ti­gen An­wen­dung des Weg-Zeit-Ge­set­zes und des Ge­schwin­dig­keits-Zeit-Ge­set­zes. Sie kön­nen dar­aus Weg-Zeit-Dia­gram­me und Ge­schwin­dig­keits-Zeit-Dia­gram­me an­fer­ti­gen. An­hand ei­nes Ex­pe­ri­ments zum frei­en Fall kön­nen sie das ge­lern­te Sche­ma über­prü­fen.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len die Ge­setz­mä­ßig­kei­ten der ge­rad­li­nig gleich­för­mi­gen Be­we­gung und des frei­en Falls. Sie wis­sen, was ein waa­ge­rech­ter Wurf ist, kön­nen ihn be­schrei­ben und sind in der Lage, die Wurf­pa­ra­bel des waa­ge­rech­ten Wur­fes zu ent­wi­ckeln. An­hand der Be­we­gungs­glei­chun­gen kön­nen sie be­stimm­te phy­si­ka­li­sche Grö­ßen beim waa­ge­rech­ten Wurf be­rech­nen. Bei­spie­le für den waa­ge­rech­ten Wurf sind ih­nen ver­traut. Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die vier Schrit­te zum Pro­blem­lö­sen nach Ge­or­ge Pó­lya und kön­nen die­se auf ein kon­kre­tes All­tags­pro­blem an­wen­den.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len die Ge­setz­mä­ßig­kei­ten der ge­rad­li­nig gleich­för­mi­gen Be­we­gung und des frei­en Falls. Sie wis­sen, was ein schrä­ger Wurf ist, kön­nen ihn be­schrei­ben und sind in der Lage, die Wurf­pa­ra­bel des schrä­gen Wur­fes zu ent­wi­ckeln. An­hand der Kennt­nis­se der Über­la­ge­rung der Be­we­gun­gen kön­nen sie be­stimm­te Po­si­tio­nen, Wei­ten und Hö­hen des Wurf­ge­gen­stan­des gra­fisch er­mit­teln. Sie ken­nen die Funk­ti­ons­vor­schrift für die Wurf­pa­ra­bel des schrä­gen Wur­fes und kön­nen ihre Ent­wick­lung in gro­ben Zü­gen nach­voll­zie­hen. Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass ein Ob­jekt un­ter 45 Grad ab­ge­schos­sen wer­den muss, um zu ei­ner be­stimm­ten An­fangs­ge­schwin­dig­keit die ma­xi­ma­le Wei­te zu er­rei­chen. Sie er­ken­nen, dass der schrä­ge Wurf un­ter Nicht­be­rück­sich­ti­gung des Luft­wie­der­stan­des nur vom Win­kel, der An­fangs­hö­he und der An­fangs­ge­schwin­dig­keit ab­hängt. Bei­spie­le für den schrä­gen Wurf sind ih­nen ver­traut.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen den Auf­bau und die Funk­ti­ons­wei­se ei­nes Elek­tro­mo­tors be­schrei­ben. Sie kön­nen den Elek­tro­mo­tor von Ver­bren­nungs­mo­to­ren ab­gren­zen. Die Ar­beits­wei­se ei­nes Ot­to­mo­tors im Vier­takt­ver­fah­ren kön­nen sie er­klä­ren. Sie wis­sen, dass Die­sel­mo­to­ren im Ge­gen­satz zu Ot­to­mo­to­ren Selbst­zün­der sind. Ih­nen ist be­wusst, dass die Er­wei­te­rung von ei­nem Zy­lin­der zu vier Zy­lin­dern beim Vier­tak­ter zu ei­ner hö­he­ren Lauf­ru­he des Mo­tors führt. Au­ßer­dem kön­nen sie mit ei­ner Brenn­stoff­zel­le und ei­nem So­lar­mo­dul Was­ser­stoff er­zeu­gen. An­hand ei­nes Brenn­stoff­zel­len­au­tos ver­ste­hen sie, dass man mit Was­ser­stoff ein Fahr­zeug mit Elek­tro­mo­tor an­trei­ben kann. Sie er­ken­nen das Brenn­stoff­zel­len­au­to und das Elek­tro­au­to als nach­hal­ti­ge Al­ter­na­ti­ven zu Fahr­zeu­gen mit Ver­bren­nungs­mo­to­ren.

Die Schü­ler/-in­nen ler­nen, was Tem­pe­ra­tur ist. Sie ler­nen ver­schie­de­nen Tem­pe­ra­tur­mess­ge­rä­te und ver­schie­de­ne Ska­len ken­nen und wis­sen, wie ein Flüs­sig­keits­ther­mo­me­ter auf­ge­baut ist. Die drei gän­gigs­ten Ska­len kön­nen sie his­to­risch ein­schät­zen und wis­sen um ihre Un­ter­schie­de und Ein­satz­ge­bie­te.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Be­grif­fe Tem­pe­ra­tur und Wär­me un­ter­schei­den. Sie ken­nen eine ein­fa­che De­fi­ni­ti­on der Wär­me. Sie wis­sen, dass es stoffun­ge­bun­de­ne und stoff­ge­bun­de­ne Wär­me­trans­port­ar­ten gibt. Sie ken­nen den Un­ter­schied zwi­schen Wär­me­strah­lung, Wär­me­lei­tung und Wär­me­strö­mung und ken­nen de­ren Cha­rak­te­ris­ti­ka. Sie kön­nen Bei­spie­le be­nen­nen.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len die Kennt­nis­se zum Wär­me­trans­port und zum Teil­chen­mo­dell. Sie wen­den die­se auf Wet­ter- und Kli­ma­er­schei­nun­gen an. Sie ken­nen den Un­ter­schied zwi­schen Wet­ter und Kli­ma. Sie wis­sen, wie Kli­ma ent­steht und ken­nen den Ein­fluss von Son­ne, At­mo­sphä­re und Was­ser. Dar­über hin­aus ken­nen die Schü­ler/-in­nen die wich­tigs­ten Schrit­te zur Vor­be­rei­tung ei­nes Re­fe­rats.

Die Schü­ler/-in­nen wie­der­ho­len die Kennt­nis­se zum Wär­me­trans­port. Sie ler­nen die Be­deu­tung des Luft­drucks zur Vor­her­sa­ge des Wet­ters ken­nen und ver­ste­hen die Funk­ti­ons­wei­se ei­nes Ba­ro­me­ters. Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, wie Jah­res­zei­ten ent­ste­hen und kön­nen die­se an­hand ei­nes Mo­dells mit dem Stand von Son­ne und Erde er­läu­tern. Mit Hil­fe des Mo­dells kön­nen sie die ver­schie­de­nen Kli­ma­zo­nen be­grün­den. Sie ken­nen fünf Kli­ma­zo­nen und wis­sen, wie der Wär­me­trans­port zwi­schen ih­nen ver­läuft.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen den Un­ter­schied zwi­schen Tem­pe­ra­tur und Wär­me be­nen­nen. Gleich­zei­tig ist ih­nen der Zu­sam­men­hang zwi­schen die­sen bei­den phy­si­ka­li­schen Grö­ßen be­wusst. Sie ver­ste­hen, dass die Zu­fuhr oder Ab­fuhr von Wär­me eine Tem­pe­ra­tur­än­de­rung be­wirkt. Zu­dem wis­sen sie, dass die Stär­ke der Tem­pe­ra­tur­än­de­rung von der Wär­me­ka­pa­zi­tät des Kör­pers ab­hängt. Die Schü­ler/-in­nen kön­nen die Ab­hän­gig­keit der Wär­me­ka­pa­zi­tät vom Stoff und der Mas­se des Kör­pers ex­pe­ri­men­tell er­mit­teln. Den pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen zu­ge­führ­ter Wär­me und Tem­pe­ra­tur­er­hö­hung kön­nen sie aus Mess­ergeb­nis­sen ab­lei­ten. Dar­auf auf­bau­end ver­ste­hen sie auch die Grund­glei­chung der Wär­me­leh­re. Die be­son­de­re Be­deu­tung des Was­sers als ther­mi­sches Spei­cher­me­di­um ist ih­nen be­wusst.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen die Zu­sam­men­hän­ge zwi­schen der Tem­pe­ra­tur, dem Vo­lu­men und dem Druck von Ga­sen. Sie kön­nen das Ge­setz von Gay-Luss­ac aus ei­nem Ex­pe­ri­ment ab­lei­ten, bei dem Luft bei kon­stan­tem Druck er­wärmt wird. Auf ähn­li­che Wei­se kön­nen sie das Ge­setz von Amon­tons aus ei­nem Ver­such fol­gern, bei dem Luft bei kon­stan­tem Vo­lu­men er­wärmt wird. Aus bei­den Ge­setz­mä­ßig­kei­ten kön­nen sie den all­ge­mei­ne­ren pro­por­tio­na­len Zu­sam­men­hang zwi­schen der Tem­pe­ra­tur und dem Pro­dukt aus Vo­lu­men und Druck schluss­fol­gern. Die Vor­aus­set­zung ei­ner kon­stan­ten Teil­chen­an­zahl des Ga­ses ist ih­nen be­wusst. Sie ver­ste­hen da­her, dass Ex­pe­ri­men­te in ab­ge­schlos­se­nen Ge­fä­ßen durch­zu­füh­ren sind, bei de­nen kein Gas ent­wei­chen kann.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen das cha­rak­te­ris­ti­sche Merk­mal von Wär­me­kraft­ma­schi­nen. Sie wis­sen, dass alle Wär­me­kraft­ma­schi­nen Wär­me in me­cha­ni­sche En­er­gie (Ar­beit) um­wan­deln. Sie ver­ste­hen wie eine Weih­nachts­py­ra­mi­de als eine ein­fa­che Form ei­ner Wär­me­kraft­ma­schi­ne funk­tio­niert. Sie kön­nen an­hand die­ses Bei­spiels den prak­ti­schen Nut­zen der Wär­me­strö­mung und des Prin­zips von „Ac­tio und Re­ac­tio“ nach­voll­zie­hen, er­klä­ren und ei­nen Trans­fer zu ähn­lich funk­tio­nie­ren­den Wär­me­kraft­ma­schi­nen wie ei­ner Dampf- oder Gas­tur­bi­ne leis­ten. Aus­ge­hend von Ex­pe­ri­men­ten mit ei­nem Heiß­luft­mo­tor kön­nen sie ver­schie­de­ne Ar­ten von Wär­me­kraft­ma­schi­nen un­ter­schei­den. Das Grund­prin­zip von sich ab­wech­selnd aus­deh­nen­den und wie­der zu­sam­men­zie­hen­den Ga­sen, die Kol­ben hin und her ver­schie­ben, ha­ben sie ver­in­ner­licht. Sie wis­sen, wie man mit Wär­me­kraft­ma­schi­nen mit­tels ei­nes Ge­ne­ra­tors Strom er­zeu­gen kann.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen das Prin­zip der Wär­me­däm­mung an­hand ei­ner Ther­mos­fla­sche er­klä­ren. Sie wis­sen, dass für eine gute Wär­me­däm­mung alle drei Ar­ten des Wär­me­trans­ports – Wär­me­lei­tung, Wär­me­strö­mung und Wär­me­strah­lung – re­du­ziert wer­den müs­sen. Sie kön­nen ein Mo­dell ei­ner Ther­mos­fla­sche mit ei­nem Er­len­mey­er­kol­ben, ei­nem Be­cher­glas und ei­ner re­flek­tie­ren­den Alu­mi­ni­um­fo­lie nach­bil­den. Au­ßer­dem kön­nen sie die Was­ser­tem­pe­ra­tur im Er­len­mey­er­kol­ben in Ab­hän­gig­keit der Zeit mes­sen und eine Aus­gleichs­ge­ra­de durch ihre Mess­punk­te le­gen. Das Prin­zip der Küh­lung ver­ste­hen sie am Bei­spiel von Kühlak­kus und ei­nem Kom­pres­sor­kühl­schrank. Sie wis­sen, dass bei der Küh­lung ei­nem Ge­gen­stand oder Raum Wär­me ent­zo­gen wird.

Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass je­der Kör­per Wär­me­strah­lung aus­sen­det. Ei­nen idea­li­sier­ten Kör­per, der elek­tro­ma­gne­ti­sche Strah­lung jeg­li­cher Wel­len­län­ge voll­stän­dig ab­sor­biert, er­ken­nen sie als schwar­zen Kör­per. Sie wis­sen, dass die Strah­lungs­leis­tung als Maß für die Stär­ke der Wär­me­strah­lung ver­wen­det wird. Die flä­chen­be­zo­ge­ne Strah­lungs­leis­tung kön­nen sie mit dem Be­griff 'spe­zi­fi­sche Aus­strah­lun­g' be­nen­nen. Aus den Mess­ergeb­nis­sen ei­nes Ver­suchs zur 'Schwarz­kör­per­strah­lun­g' ei­nes brü­nier­ten Mes­sing­zy­lin­ders kön­nen sie das Ste­fan-Boltz­mann-Ge­setz ab­lei­ten. Der Wert der Ste­fan-Boltz­mann-Kon­stan­te ist ih­nen be­kannt. Mit ei­nem Les­lie-Wür­fel kön­nen sie zu­dem zei­gen, dass die spe­zi­fi­sche Aus­strah­lung nicht nur von der Tem­pe­ra­tur, son­dern auch von der Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit ab­hängt. Mit Hil­fe des Emis­si­ons­gra­des kön­nen sie schwar­ze, graue, wei­ße und bun­te Kör­per un­ter­schei­den.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die Wir­kung des Treib­haus­ef­fekts, der zu ei­ner Er­hö­hung der Tem­pe­ra­tur führt. Sie wis­sen, dass das Dach ei­nes Treib­hau­ses aus ei­nem licht­durch­läs­si­gen Ma­te­ri­al be­steht, das die in­fra­ro­te Wär­me­strah­lung stark ab­sor­biert. Sie kön­nen die er­höh­te Ab­sorp­ti­on und Er­wär­mung in­ner­halb ei­nes Treib­hau­ses mit der ther­mi­schen Ge­gen­strah­lung be­grün­den. Ihr Wis­sen zum Treib­haus­ef­fekt kön­nen die Schü­ler/-in­nen auf un­se­re Erde mit ih­rer At­mo­sphä­re über­tra­gen. Die Treib­haus­gas­kon­zen­tra­ti­on und die re­sul­tie­ren­de at­mo­sphä­ri­sche Ge­gen­strah­lung kön­nen sie als ent­schei­den­de Fak­to­ren des Treib­haus­ef­fekts be­nen­nen. Mit Hil­fe des Ste­fan-Boltz­mann-Ge­set­zes kön­nen sie die Erd­mit­tel­tem­pe­ra­tur mit und ohne At­mo­sphä­re be­rech­nen. Da­bei ken­nen sie auch die Be­deu­tung der So­lar­kon­stan­ten und der sphä­ri­schen Al­be­do. Zu­dem kön­nen sie eine En­er­gie­bi­lanz der Erde auf­stel­len. Zu­letzt kön­nen sie zwi­schen dem na­tür­li­chen und an­thro­po­ge­nen Treib­haus­ef­fekt un­ter­schei­den.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen ver­schie­de­ne Him­mels­kör­per wie die Erde, die Son­ne und den Mond be­nen­nen. Zu­dem kön­nen sie die ein­zel­nen Him­mels­kör­per ein­ord­nen und ver­ste­hen, war­um etwa die Son­ne ein Stern und die Erde ein Pla­net ist. Die Schü­ler/-in­nen kön­nen auch As­te­roi­den von Pla­ne­ten un­ter­schei­den. Sie ver­ste­hen, wie Me­teo­ri­ten aus Zu­sam­men­stö­ßen von As­te­roi­den ent­ste­hen und Kra­ter auf dem Mond hin­ter­las­sen kön­nen. Den Schü­le­rin­nen und Schü­lern ist die Erd­at­mo­sphä­re als Schutz­hül­le ge­gen Me­teo­ri­ten­ein­schlä­ge be­kannt. Die Ur­sa­che von Stern­schnup­pen und die fach­sprach­li­che Be­zeich­nung „Me­teo­re“ wur­den ih­nen ver­mit­telt. Au­ßer­dem ist den Schü­le­rin­nen und Schü­lern das Kon­zept der Stern­bil­der ver­traut, und sie kön­nen mit Hil­fe von Apps ver­schie­de­ne Stern­bil­der am Nacht­him­mel er­ken­nen und be­nen­nen.

Die Schü­ler/-in­nen ken­nen die wich­tigs­ten Him­mels­kör­per un­se­res Son­nen­sys­tems be­stehend aus der Son­ne und den acht Pla­ne­ten. Sie ver­ste­hen die un­ter­schied­li­chen Um­lauf­zei­ten der Pla­ne­ten als Fol­ge ver­schie­de­ner Um­lauf­bah­nen und Ge­schwin­dig­kei­ten. Die Ab­hän­gig­keit der Ge­schwin­dig­keit ei­nes Pla­ne­ten vom Ab­stand zur Son­ne ist den Schü­lern und Schü­le­rin­nen be­kannt. Die Mon­de der acht Pla­ne­ten und die As­te­roi­den, die sich über­wie­gend im As­te­roi­den­gür­tel be­we­gen, wur­den den Schü­le­rin­nen und Schü­lern als wei­te­re Be­stand­tei­le un­se­res Son­nen­sys­tems ver­mit­telt.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, wie sich die Vor­stel­lun­gen un­se­rer Welt im Lau­fe der Zeit ge­wan­delt ha­ben. Ih­nen ist das geo­zen­tri­sche Welt­bild nach Aris­to­te­les be­kannt. Sie er­ken­nen, war­um die­ses Welt­bild zu Wi­der­sprü­chen mit (Pla­ne­ten-)Be­ob­ach­tun­gen führ­te. Die Er­wei­te­run­gen des geo­zen­tri­schen Welt­bilds nach Clau­di­us Pto­le­mä­us ha­ben sie ver­in­ner­licht. Die gro­ße Wen­de, die durch Ni­ko­laus Ko­per­ni­kus ein­ge­lei­tet wur­de, kön­nen sie zeit­lich ein­ord­nen. Sie ver­ste­hen den Wan­del zum he­lio­zen­tri­schen Welt­bild. Die ent­schei­den­den Neue­run­gen die­ses Welt­bilds durch Jo­han­nes Kep­ler und ihre Be­deu­tung für die heu­ti­ge Zeit sind ih­nen be­wusst.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, dass wir beim An­blick der Son­ne und des Ster­nen­him­mels im­mer in die Ver­gan­gen­heit se­hen. Sie kön­nen die­ses Phä­no­men mit der end­li­chen Aus­brei­tungs­ge­schwin­dig­keit des Lichts er­klä­ren. Sie wis­sen, dass sich das Licht ge­mäß dem Weg-Zeit-Ge­setz der gleich­för­mi­gen Be­we­gung aus­brei­tet. Die Licht­ge­schwin­dig­keit ken­nen sie als Na­tur­kon­stan­te. Ih­nen ist al­ler­dings be­wusst, dass sich das Licht in Ma­te­rie grund­sätz­lich lang­sa­mer aus­brei­tet als im Va­ku­um. Sie kön­nen die Licht­ge­schwin­dig­keit in der Luft ex­pe­ri­men­tell mit ei­nem La­ser-Be­we­gungs­sen­sor und ei­nem Re­flek­tor be­stim­men. Au­ßer­dem kön­nen sie die Lauf­zeit des Lichts von der Son­ne bis zur Erde be­stim­men und die Ent­fer­nung von Ster­nen in Licht­jah­ren an­ge­ben.

Die Schü­ler/-in­nen ver­ste­hen, dass die Ge­wichts­kraft aus der Gra­vi­ta­ti­ons­kraft folgt, die die An­zie­hung zwei­er Mas­sen be­schreibt. Sie kön­nen fol­gern, dass die Gra­vi­ta­ti­ons­kraft pro­por­tio­nal zur Mas­se des Pro­be­kör­pers sein muss. Mit dem Wech­sel­wir­kungs­prin­zip kön­nen sie her­lei­ten, dass die Gra­vi­ta­ti­ons­kraft auch pro­por­tio­nal zur Mas­se ist, die den Pro­be­kör­per an­zieht. Mit Hil­fe der un­ter­schied­li­chen Orts­fak­to­ren auf der Erde und den Pla­ne­ten­be­we­gun­gen um die Son­ne kön­nen sie auch be­grün­den, war­um die Gra­vi­ta­ti­ons­kraft pro­por­tio­nal zu Eins durch den Ab­stand der Mas­sen­mit­tel­punk­te zum Qua­drat ist. Aus al­len Pro­por­tio­na­li­tä­ten kön­nen sie das ex­pli­zi­te Gra­vi­ta­ti­ons­ge­setz ab­lei­ten und die Gra­vi­ta­ti­ons­kon­stan­te an­ge­ben.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen mit der Gärt­ner­kon­struk­ti­on eine El­lip­se an­fer­ti­gen. Sie kön­nen die Brenn­punk­te, den Mit­tel­punkt, die Sym­me­trie­ach­sen und die Hal­bach­sen an­ge­ben. Sie wis­sen, dass sich, ge­mäß dem 1. Kep­ler­schen Ge­setz, alle Pla­ne­ten auf El­lip­sen­bah­nen be­we­gen, in de­ren ei­nem Brenn­punkt die Son­ne steht. Ih­nen ist be­wusst, dass sich die Pla­ne­ten im Pe­ri­hel am schnells­ten und im Aphel am lang­sams­ten be­we­gen. Mit dem 2. Kep­ler­schen Ge­setz kön­nen sie er­klä­ren, dass ein Fahr­strahl in glei­chen Zei­ten gleich gro­ße Flä­chen über­streicht. Zu­letzt kön­nen sie mit dem 3. Kep­ler­schen Ge­setz an­ge­ben, dass sich die Qua­dra­te der Um­lauf­zei­ten zwei­er Pla­ne­ten wie die drit­ten Po­ten­zen der gro­ßen Hal­bach­sen ver­hal­ten.

Die Schü­ler/-in­nen be­schrei­ben Kern­aus­sa­gen ver­schie­de­ner his­to­ri­scher Atom­mo­del­le und be­ur­tei­len dar­an die Gren­zen der Gül­tig­keit von na­tur­wis­sen­schaft­li­chen Mo­dell­vor­stel­lun­gen. Sie be­schrei­ben den Atom­bau nach dem Ru­ther­ford­schen Kern-Hül­le-Mo­dell, um Grö­ßen­ver­hält­nis­se zwi­schen Atom und Atom­kern zu ver­an­schau­li­chen und be­stim­men mit­hil­fe des Pe­ri­oden­sys­tems die An­zahl der Ele­men­tar­teil­chen von aus­ge­wähl­ten che­mi­schen Ele­men­ten. Der Atom­be­griff nach De­mo­krit, das Ku­gel­mo­dell nach John Dal­ton und das Kern-Hül­le-Mo­dell nach Er­nest Ru­ther­ford so­wie die Be­grif­fe Ele­men­tar­teil­chen (Pro­ton, Neu­tron, Elek­tron), Ord­nungs­zahl und Mas­sen­zahl sind ih­nen ver­traut.

Die Schü­ler/-in­nen kön­nen ra­dio­ak­ti­ve Strah­lung mit ei­nem Gei­ger-Mül­ler-Zähl­rohr mes­sen und nach­wei­sen. Sie wis­sen, dass die Zähl­ra­te der An­zahl von Im­pul­sen ra­dio­ak­ti­ver Strah­lung pro Zeit ent­spricht. Sie ver­ste­hen, war­um die Zähl­ra­te mit dem Ab­stand zur Strah­lungs­quel­le ab­nimmt und kön­nen die­ses Phä­no­men mit der Di­ver­genz der Strah­len er­klä­ren. Die Spu­ren von Al­pha­strah­lung, die in ei­ner Wil­son­kam­mer auf­tre­ten, kön­nen sie mit der Io­ni­sa­ti­on der Gas­teil­chen und der Tröpf­chen­bil­dung er­klä­ren. Sie kön­nen Be­ta­strah­lung durch die Ab­len­kung der Strah­len in ei­nem Ma­gnet­feld nach­wei­sen. An­hand von Mo­dell­vor­stel­lun­gen der Kern­zer­fäl­le ra­dio­ak­ti­ver Stof­fe kön­nen sie auch die Be­stand­tei­le und die Ent­ste­hung von Al­pha-, Beta- und Gam­ma­strah­lung er­klä­ren. Au­ßer­dem kön­nen sie ei­nen Teil der Zer­falls­ket­te von Ra­di­um-226 be­nen­nen.

Die Schü­ler/-in­nen sind sich der Ge­fahr von ra­dio­ak­ti­ver Strah­lung be­wusst. Sie wis­sen, dass die Ak­ti­vi­tät ei­nes ra­dio­ak­ti­ven Stof­fes eine wich­ti­ge phy­si­ka­li­sche Grö­ße ist, um die po­ten­zi­el­le Ge­fahr zu be­wer­ten. Sie ken­nen Maß­nah­men zum Strah­len­schutz, ins­be­son­de­re die Di­stan­zie­rung zur ra­dio­ak­ti­ven Quel­le und die Ab­schir­mung der ra­dio­ak­ti­ven Strah­len. Sie wis­sen, dass sich die drei Strah­lungs­ar­ten – Al­pha-, Beta- und Gam­ma­strah­lung – sehr un­ter­schied­lich bei der Ab­sorp­ti­on ver­hal­ten. Ih­nen ist be­wusst, dass die Gam­ma­strah­lung im Ge­gen­satz zur Al­pha- und Be­ta­strah­lung nicht voll­stän­dig ab­sor­biert wer­den kann. Sie kön­nen den ex­po­nen­ti­el­len Ab­fall der Zähl­ra­te in Ab­hän­gig­keit der Di­cke des Ab­sor­bers ex­pe­ri­men­tell er­mit­teln.

Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass ein Kern durch den Be­schuss mit ei­nem re­la­tiv lang­sa­men Neu­tron ge­spal­ten wer­den kann. Sie kön­nen die Spalt­pro­duk­te ei­nes Uran-235-Kerns be­nen­nen. Au­ßer­dem kön­nen sie die frei­wer­den­de En­er­gie mit Hil­fe der Bin­dungs­en­er­gi­en und des En­er­gie­er­hal­tungs­sat­zes be­rech­nen. Den Zu­sam­men­halt der Ker­ne und die Ent­ste­hung der Bin­dungs­en­er­gie kön­nen sie mit der star­ken Kern­kraft er­klä­ren. Sie kön­nen eine kon­trol­lier­te von ei­ner un­kon­trol­lier­ten Ket­ten­re­ak­ti­on un­ter­schei­den. Zu­dem kön­nen sie die Kern­fu­si­on ei­nes Deu­te­ri­um-Kerns mit ei­nem Tri­ti­um-Kern er­klä­ren. Sie wis­sen, dass bei der Kern­fu­si­on von solch leich­ten Ker­nen eben­falls En­er­gie frei wird.

Die Schü­ler/-in­nen wis­sen, dass sich die Beu­gungs- und In­ter­fe­renz­erschei­nun­gen von Licht an ei­nem Dop­pel­spalt nur mit dem Wel­len­cha­rak­ter des Lichts er­klä­ren las­sen. An­de­rer­seits ist ih­nen be­wusst, dass die Her­lei­tung des Planck­schen Strah­lungs­ge­set­zes und die Deu­tung des Pho­to­ef­fekts An­fang des 20. Jahr­hun­derts die Ein­füh­rung von Licht­quan­ten er­for­der­ten. Die Schü­ler/-in­nen kön­nen dar­aus schlie­ßen, dass das Licht auch ei­nen Teil­chen­cha­rak­ter be­sitzt. Den Wel­len- und Teil­chen­cha­rak­ter des Lichts kön­nen sie mit dem Be­griff des Wel­le-Teil­chen-Dua­lis­mus zu­sam­men­fas­sen. Au­ßer­dem wis­sen sie, dass je­dem ein­zel­nen Quan­ten­ob­jekt eine Wel­le zu­ge­schrie­ben wer­den muss, die als Wahr­schein­lich­keits­ver­tei­lung für eine Orts­mes­sung zu in­ter­pre­tie­ren ist. Zu­letzt sind sie auch mit dem Phä­no­men der Quan­ten­ver­schrän­kung ver­traut und kön­nen die­sen Ef­fekt an­hand zwei­er ver­schränk­ter Pho­to­nen nach­voll­zie­hen.

Die Schü­ler/-in­nen sind mit der klas­si­schen Ge­schwin­dig­keits­ad­di­ti­on, die sie aus ih­rem All­tag ken­nen, ver­traut. Sie wis­sen je­doch, dass die klas­si­sche Ge­schwin­dig­keits­ad­di­ti­on bei ho­hen Ge­schwin­dig­kei­ten, ins­be­son­de­re bei be­weg­ten Licht­quel­len, an ihre Gren­zen stößt. Ih­nen ist au­ßer­dem be­wusst, dass der Aus­gang des Mi­chel­son-Mor­ley-Ex­pe­ri­ments na­he­ge­legt hat, dass es kei­nen Lich­täther gibt. Sie ken­nen die Ein­stein­schen Pos­tu­la­te und wis­sen, dass Al­bert Ein­stein dar­auf sei­ne spe­zi­el­le Re­la­ti­vi­täts­theo­rie be­grün­de­te. Die auf der Lo­rentz-Trans­for­ma­ti­on be­ru­hen­de re­la­ti­vis­ti­sche Ge­schwin­dig­keits­ad­di­ti­on kön­nen sie nut­zen, um bei­spiels­wei­se zu zei­gen, dass die Licht­ge­schwin­dig­keit in al­len In­er­ti­al­sys­te­men gleich ist. Zu­letzt ver­ste­hen sie auch, dass be­weg­te Uh­ren lang­sa­mer ge­hen und kön­nen die­ses Phä­no­men mit der Zeit­di­la­ta­ti­on be­grün­den.