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Physik



Was erwartet Sie im Physik-Unterricht in der Fachoberschule 12. Klasse (Technik)?

 

Die Naturwissenschaften durchdringen wie keine andere Wissenschaft heute das tägliche Leben und bestimmen das Denken und Handeln des Menschen. Der Physikunterricht neben dem Fach Chemie und Technologie/Informatik naturwissenschaftliche Fragestellungen durch vertiefte Kenntnisse über die Zusammenhänge zu lösen und zu erklären.

 

Zur Lösung naturwissenschaftlicher Phänomene hat das Experiment eine zentrale Bedeutung, welche es zu verstehen und zu beurteilen gilt. Hierbei ist es unerlässlich das physikalische Experimente selbst beschrieben, durchgeführt, ausgewertet und überprüft werden.

 

In der Fachoberschule greift man auf die bisherigen Lerninhalte der Mittelstufe und die Erfahrungswelt der Schüler zurück, vertieft jedoch die mathematisch- physikalischen Methoden und legt besonders auf die sachgerechte Darstellung und die fachsprachliche Formulierung großen Wert.

 

In der 12. Jahrgangsstufe befassen sich die Schüler und Schülerinnen ausschließlich mit der so genannten klassischen Physik. Hierbei werden die in der 11. Klasse vermittelten Grundbegriffe wie Kraft, Masse, Beschleunigung etc. aufgegriffen und weitergeführt, um die Mechanik mit den noch zu klärendem Begriff des Impulses sowie dem Gravitationsfeld abzuschließen und sich ausgiebig mit dem Teilgebiet der Elektrotechnik zu befassen. 

 

Die Lerninhalte der 12. Klasse lassen sich in nachfolgende Teilgebiete gliedern:

  • Impuls und Impulserhaltung
  • Mechanische Schwingungen
  • Gravitationsfeld
  • Elektrisches Feld
  • Magnetisches Feld und Magnetische Induktion
  • Schaltelemente im Wechselstromkreis
 

Impuls und Impulserhaltung

 

Kennen Sie nicht das Kugelstoßpendel aus einem Kinderladen oder Einrichtungshaus? Bei einem solchen Pendel handelt es sich um beidseitig aufgehängte Kugeln gleicher Masse und Pendellänge. Lenkt man die ganz links stehende Kugel von einer bestimmten Höhe aus, so wird nach dem Aufprall dieser auf die restlichen Kugeln die ganz rechte auf die gleiche Höhe ausgelenkt. Werden hingegen zwei Kugeln ausgelenkt, so werden nach dem Stoßprozess ebenso auf der anderen Seite zwei weggestoßen (Animation von DimonDeLuxe unter der GNU FDL).

 

Es stellt sich jetzt die Frage: Warum wird nicht eine einzige Kugel auf die doppelte Höhe weggestoßen? In diesem Fall wäre der Energieerhaltungssatz ebenso erfüllt. Es zeigt sich, dass der Energieerhaltungssatz zur Klärung dieses Phänomens nicht ausreicht. Man muss ferner einen anderen Erhaltungssatz, den so genannten Impulserhaltungssatz einführen, um den Vorgang beim Kugelstoßpendel bzw. der Newton'sche Wiege ausreichend verstehen zu können.

 

Haben Sie sich ferner schon immer einmal gefragt, wie sich eine Rakete fortbewegen kann, obwohl sie sich im luftleeren Raum befindet? Basis des Raketenantriebs bildet ebenfalls wie zur Erklärung des Kugelstoßpendels der Impulserhaltungssatz der Physik, der aussagt, das in einem abgeschlossenem System der Gesamtimpuls vor einem Stoß bzw. Vorgang gleich dem Gesamtimpuls nachher ist. Mithilfe einer Excel-Simulation aufbauend auf der Methode der kleinen Schritte ist es möglich, die Höhe, Geschwindigkeit und Beschleunigung für den Start der Mondrakete Saturn V zu simulieren (siehe Abbildung).

 

Ausgehend vom dritten Newton'schen Axiom (actio gleich reactio) wird dieser bedeutende Erhaltungssatz hergeleitet und in diesem Zusammenhang der Begriff Impuls eingeführt. Dabei wird deutlich, dass das Grundgesetz der Mechanik aus der 11. Jahrgangsstufe eine Verallgemeinerung dieser Definition darstellt. Auf einen Körper wirkt demnach ebenso eine Kraft, wenn dieser während eines Zeitintervalls eine Massenänderung erfährt. Dieser Sachverhalt bildet die Grundlage für den Raketenantrieb, den schon Issac Newton in seinem Werk „Principia” aus dem Jahre 1687 festgehalten hat.

 

Der Impulserhaltungssatz ist darüber hinaus bei Stoßprozessen von immenser Bedeutung wie sie zum Beispiel beim Billardspiel oder bei einem Zusammenstoß zweier PKW vorkommen. Zur Vereinfachung werden ausschließlich zentrale Stöße zweier Körper betrachtet, die sich längs einer Geraden bewegen. Wir unterscheiden dabei einen vollkommen elastischen Stoß von einem vollkommen unelastischen Stoß (siehe Animationen von Raul Roque und Simon Steinmann unter der Creative Commons Attribution ShareAlike Lizenz 2.5). Gilt beim vollkommen elastischen Zusammenstoß nebem dem Impulserhaltungssatz noch der Energieerhaltungssatz, so ist beim vollkommen unelastischen Zusammenstoß allein der Impulserhaltungssatz gültig. Die Energiedifferenz wird dabei in Verformungsarbeit bzw. Wärme umgewandelt.

 

Der Impulserhaltungssatz hat ebenso recht praktische Anwendungen. Möchte man zum Beispiel die Anfangsgeschwindigkeit eines Projektils aus einem Gewehrlauf bestimmen, so gelingt dies bei den bekannten Massen der Gewehrkugel und des Auffangkörpers sowie des gemessenen Auslenkwinkels bei diesem vollkommen unelastischen Stoßes mithilfe des Impulserhaltungssatzes. Eine derartige Anordnung bezeichnet man als „Ballistisches Pendel”.

 

In der 12. Klasse werden im Fach Physik drei Schulaufgaben geschrieben. 

 

Mit diesen Kenntnissen und Fähigkeiten erhalten Sie eine umfangreiche theoretische, anwendungsorientierte Grundbildung im Bereich der klassischen Physik und Sie werden bestmöglich auf die Abiturprüfung vorbereitet.

 

Dazu wünschen Ihnen die Physik-LehrerInnen der FOS/BOS Straubing viel Erfolg.