Doppelspalt und Gitter
Laserlicht fällt durch einen Doppelspalt oder ein Gitter. Auf dem Schirm entsteht ein Muster aus hellen und dunklen Streifen.
PhysikLehrplan Hessen · Gymnasium
Physik – Jahrgangsstufe 13
Qualifikationsphase Q3 „Elektromagnetische Wellen und Quantenphysik“ und Q4 „Struktur von Materie, Raum und Zeit“. Verbindlich sind Q3.1–Q3.3 und Q4.1. Die Zuordnung zu Jahrgangsstufe 13 ist eine Annahme (G9). „Nur LK“ kennzeichnet das erhöhte Niveau.
Lernbereich Q3.1Elektromagnetische Wellen
Verbindliches Themenfeld. Spektrum elektromagnetischer Wellen, Polarisation und Totalreflexion, Interferenz am Doppelspalt und Gitter sowie stehende elektromagnetische Wellen.
Q3.1.1Spektrum elektromagnetischer Wellen
Frequenzbereiche und technische Anwendungen im Überblick.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q3.1.2Charakteristische Wellenphänomene
Lineare Polarisation von Licht und Totalreflexion (Glasfaser).
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q3.1.3Überlagerung von elektromagnetischen Wellen
Doppelspalt und Gitter, Wellenlängenbestimmung, Spektren, stehende Wellen.
Q3.1.4Brechung, Reflexion, Beugung bei elektromagnetischen Wellen (nur LK)
Brechungsgesetz mit Wellenmodell.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q3.1.5Überlagerung von elektromagnetischen Wellen (nur LK)
Einzelspalt und Interferometer.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q3.2Welle-Teilchen-Dualismus
Verbindliches Themenfeld. Fotoeffekt und Photonenenergie, Energie-Masse-Äquivalenz und De-Broglie-Wellen; im LK Elektronenbeugung und Compton-Effekt.
Q3.2.1Zusammenhänge der Größen Energie, Impuls, Frequenz und Wellenlänge zur Beschreibung von Quantenobjekten
Fotoeffekt mit Gegenfeldmethode, Planck’sches Wirkungsquantum, Photonenimpuls, De-Broglie-Gleichung.
Photoeffekt
Rotes Licht kann noch so hell sein, es löst kein einziges Elektron. Kurzwelliges Licht schafft es sofort. Für Wellen ist das rätselhaft, für Photonen nicht.
Elektronenbeugung
Elektronen treffen auf eine dünne Graphitschicht und bilden Ringe auf dem Schirm, wie es nur Wellen tun.
Q3.2.2Elektronenbeugung an Kristallen, Bragg-Bedingung (nur LK)
Beugungsbilder von Elektronen deuten.
Elektronenbeugung
Elektronen treffen auf eine dünne Graphitschicht und bilden Ringe auf dem Schirm, wie es nur Wellen tun.
Q3.2.3Compton-Effekt (nur LK)
Streuung von Photonen an Elektronen.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q3.3Atomvorstellungen
Verbindliches Themenfeld. Bohr’sches Atommodell, Energieniveaus des Wasserstoffatoms, Franck-Hertz-Versuch, Emission und Absorption sowie Linienspektren.
Q3.3.1Quantisierung
Bohr’sche Postulate, Energieniveaus von Wasserstoff und Franck-Hertz-Versuch.
Atommodelle und Linienspektren
Jedes Element leuchtet in seinen eigenen Farben. Springt ein Elektron eine Stufe tiefer, entsteht genau eine Linie im Spektrum.
Q3.3.2Emission und Absorption, Zusammenhang zwischen diskretem Spektrum und Energieniveauschema
Linienspektren im Energieniveauschema deuten; Rydberg-Formel.
Atommodelle und Linienspektren
Jedes Element leuchtet in seinen eigenen Farben. Springt ein Elektron eine Stufe tiefer, entsteht genau eine Linie im Spektrum.
Q3.3.3Quantisierung (nur LK)
Wasserstoffähnliche Atome, Ausblick auf Mehrelektronensysteme und Pauli-Prinzip.
Atommodelle und Linienspektren
Jedes Element leuchtet in seinen eigenen Farben. Springt ein Elektron eine Stufe tiefer, entsteht genau eine Linie im Spektrum.
Q3.3.4Röntgenstrahlung (nur LK)
Kontinuierliches und charakteristisches Röntgenspektrum, Röntgenröhre, Moseley-Gesetz.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q4.1Quantenobjekte
Verbindliches Themenfeld. Quantenmechanisches Atommodell (Orbitale, Potenzialtopf), Grundaspekte der Quantentheorie am Doppelspalt mit Einzelquanten und quantenphysikalisches Weltbild.
Q4.1.1Qualitative Betrachtung eines quantenmechanischen Atommodells
Orbitale als Aufenthaltswahrscheinlichkeit; Elektron als stehende Welle im Potenzialtopf.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.1.2Grundlegende Aspekte der Quantentheorie: stochastische Vorhersagbarkeit, Interferenz und Superposition, Determiniertheit der Zufallsverteilung, Komplementarität
Doppelspalt mit einzelnen Elektronen und Photonen; Weginformation vs. Interferenz.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.1.3Quantenphysikalisches Weltbild hinsichtlich der Begriffe Realität, Lokalität, Kausalität, Determinismus
Grenzen klassischer Begriffe in der Quantenphysik diskutieren.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.1.4Quantitative Betrachtung eines quantenmechanischen Atommodells (nur LK)
Energiewerte und Wellenfunktionen im unendlich tiefen Potenzialtopf.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.1.5Stochastische Deutung mittels des Quadrats der quantenmechanischen Wellenfunktion (qualitativ) (nur LK)
Betragsquadrat als Wahrscheinlichkeitsmaß; Delayed-choice-Experiment.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.1.6Orts-Impuls-Unbestimmtheit (nur LK)
Ort und Impuls können nicht gleichzeitig scharf sein.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.1.7Koinzidenzmethode zum Nachweis einzelner Photonen anhand eines Beispiels (nur LK)
Unteilbarkeit von Photonen, z. B. am Mach-Zehnder-Interferometer.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q4.2Technische Anwendungen der Quantenphysik
Nicht verbindliches Themenfeld. Funktionsweise des Lasers; im LK Tunneleffekt und Rastertunnelmikroskop.
Q4.2.1Laser
Metastabile Niveaus, Besetzungsinversion, stimulierte Emission, Aufbau und Anwendungen.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.2.2Rastertunnelmikroskop (nur LK)
Tunneleffekt sowie Aufbau und Anwendungen.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q4.3Kernphysik
Nicht verbindliches Themenfeld. Radioaktive Strahlung, Zerfallsgesetz und Halbwertszeit, Bindungsenergie, Kernspaltung und -fusion.
Q4.3.1Radioaktive Strahlung
Strahlungsarten, Nachweis, Wirkung, Anwendungen und Gefahren.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.3.2Zerfallsgesetze
Aktivität, Halbwertszeit, Zerfallskonstante, C14-Methode.
Radioaktiver Zerfall und Halbwertszeit
Viele Atomkerne zerfallen zufällig, und ein Zählrohr knackt. Trotzdem ist nach jeder Halbwertszeit ungefähr die Hälfte übrig.
Q4.3.3Bindungsenergie
Massendefekt, Bindungsenergie pro Nukleon, Kernreaktionen.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.3.4Zerfallsgesetze (nur LK)
Zerfallsreihen.
Radioaktiver Zerfall und Halbwertszeit
Viele Atomkerne zerfallen zufällig, und ein Zählrohr knackt. Trotzdem ist nach jeder Halbwertszeit ungefähr die Hälfte übrig.
Q4.3.5Potenzialtopfmodell für Kerne (nur qualitativ) (nur LK)
Getrennte Töpfe für Protonen und Neutronen; Alpha-Zerfall durch Tunneln.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q4.4Spezielle Relativitätstheorie
Nicht verbindliches Themenfeld. Relativitätspostulate, Zeitdilatation und Längenkontraktion mit Minkowski-Diagrammen sowie relativistische Massenzunahme.
Q4.4.1Relativitätspostulate
Relativitätsprinzip, Konstanz von c, Zeitdilatation, Längenkontraktion, Minkowski-Diagramme.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.4.2Relativistische Massenzunahme (nur phänomenologisch)
Phänomen der Massenzunahme bei hohen Geschwindigkeiten.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.4.3Lorentztransformation und Addition von Geschwindigkeiten (nur LK)
Umrechnung zwischen bewegten Bezugssystemen.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.4.4Herleitung der relativistischen Massenzunahme (nur LK)
Massenzunahme aus Grundprinzipien ableiten.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q4.5Festkörperphysik
Nicht verbindliches Themenfeld. Leiter, Halbleiter und Isolatoren im Bändermodell, Dotierung, Diode und Transistor.
Q4.5.1Leiter, Nichtleiter und Halbleiter
Bändermodell (qualitativ) und Dotierung.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.5.2Diode und Transistor
p-n-Übergang, Kennlinie, Gleichrichter, Transistor als Schalter.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.5.3Quantenphysikalische Erklärung der Energiebänder (nur LK)
Fermienergie (qualitativ).
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.5.4Verstärkerschaltung (nur LK)
Transistor als Verstärker im Experiment.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.5.5Supraleitung (nur qualitativ) (nur LK)
Phänomen der Supraleitung.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Lernbereich Q4.6Astrophysik
Nicht verbindliches Themenfeld. Sonnensystem und Himmelsmechanik, Kosmologie mit Rotverschiebung und Urknall sowie Struktur des Universums; im LK Energie der Sonne und Sternentwicklung.
Q4.6.1Unser Sonnensystem
Sonne, Planeten, Kometen, Gravitationsgesetz, Kepler’sche Gesetze, Gezeiten.
Planetenbahnen und Keplersche Gesetze
Zu schnell, und der Planet fliegt auf Nimmerwiedersehen davon. Etwas langsamer, und er zieht eine Ellipse um die Sonne, genau nach den Keplerschen Gesetzen.
Q4.6.2Kosmologie
Galaxien, Rotverschiebung und Urknall.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.6.3Struktur des Universums
Größe und Alter, Hintergrundstrahlung, dunkle Materie und Energie.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.6.4Energieumwandlung in der Sonne (nur LK)
Proton-Proton-Reaktion und weitere Fusionsprozesse.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Q4.6.5Sterntypen, Sternentstehung und -entwicklung (nur LK)
Hauptreihensterne und Lebenszyklus eines Sterns.
Hierfür ist keine eigene Simulation geplant.
Die Kurzbeschreibungen fassen den Lehrplan in eigenen Worten zusammen. Verbindlich ist der Originaltext. Originaltext: Kerncurriculum, Gymnasium, Physik, Jahrgangsstufe 13