Q34-Phase: Quanten- und Atomphysik

Q34-Phase: Quanten- und Atomphysik | T. Pawletko | Heinrich-von-Gagern-Gymnasium | Datum:

Das Schuljahr 2024/2025

Die grundlegenden Erfahrungen und Experimente der Quantenphysik führen zu der Erkenntnis, dass Mikroobjekte durch die Konzepte der klassischen Physik nicht vollständig und widerspruchsfrei beschrieben werden können. Kausalität, Determinismus und der klassische Bahnbegriff werden bei der Einführung der Quantenphysik in Frage gestellt. Die historische Entwicklung der Atommodelle und die philosophischen Konsequenzen der Quantenmechanik bieten Raum für Diskussionen. Aus den weiteren Themenbereichen kann als Thema für den Leistungskurs im letzten Schulhalbjahr frei gewählt werden. LeifiPhysik

1. Organisation

Im ersten Halbjahr werden zwei Klausuren geschrieben, im zweiten nur eine.

Tafelskript

Das PDF mit der Tafelmitschrift kann heruntergeladen werden. Der Link wurde in der ersten Stunde per Schulportal mitgeteilt.

Rechtliches

  1. KCGO Physik (Neuste Fassung von 2016)
  2. Matrix – Kompetenzbereiche, Bildungsstandards und Themenfelder

Das Abiturerlass LA2025

Laut dem Abiturerlass für das Landesabitur 2025 werden sich die Prüfungsaufgaben im schriftlichen Abitur im grundlegenden und im erhöhten Niveau (Grundkurs und Leistungskurs) schwerpunktmäßig auf die nachfolgend aufgeführten Themenfelder und Konkretisierungen des KCGO beziehen.

Grundlagen

Diese Themenfelder aus E1/E2 bilden die Grundlage für die Q-Phase.

E1/E2 Mechanik
  • E.1 Bewegungen und ihre Beschreibung
  • E.2 Newton’sche Axiome und Erhaltungssätze
  • E.3 Waagerechter Wurf und Kreisbewegung
  • E.4 Weitere Bewegungen , E.5 Gravitation, E.6 Entropie , E.7 Kreisel

Schriftliches Abitur

Diese Inhalte aus Q1, Q2 und Q3 werden Thema des schriftlichen Abiturs und der Klausuren der jeweiligen Halbjahre.

Q1 Elektrisches und magnetisches Feld
  • Q1.1 Elektrisches Feld
  • Q1.2 Magnetisches Feld
  • Q1.3 Induktion
  • Q1.4 Bewegung von Ladungen in Feldern in technischen Anwendungen
Q2 Schwingungen und Wellen
  • Q2.1 Schwingungen
  • Q2.2 Wellen
  • Q2.3 Wellen an Grenzflächen
  • Q2.4 Dopplereffekt, Schwebung
Q3 Quanten- und Atomphysik
  • Q3.1 Eigenschaften von Quantenobjekten
  • Q3.2 Atommodelle
  • Q3.3 Röntgenstrahlung
  • Q3.4 Mikroskopische Stoßprozesse
  • Q3.5 Kernphysik

Mündliches Abitur

Themenfelder aus Q4 können dann nur noch im mündlichen Abitur abgefragt werden und bilden natürich den Inhalt der letzten Klausur in Q4.

Q4 Physik der Moderne

Zwei Themenfelder müssen von der Lehrkraft gewählt werden

  • Q4.1 Kernphysik
  • Q4.2 Spezielle Relativitätstheorie
  • Q4.3 Festkörperphysik
  • Q4.4 Chaostheorie
  • Q4.5 Astrophysik

Quantenphysik (Photonen)

Q3.1 Eigenschaften von Quantenobjekten (5 Wochen)

grundlegendes Niveau (Grundkurs und Leistungskurs)

  • Fotoeffekt
  • Einstein’sche Deutung und Widersprüche zur Wellentheorie (Demonstrationsexperiment mit Sonnenlicht oder anderer geeigneter Lichtquelle, Glasscheibe als Filter)
  • Grenzfrequenz, Austrittsenergie, Einheit Elektronenvolt, Planck’sches Wirkungsquantum, Energie eines Photons (experimentelle Bestimmung der Energie der Fotoelektronen mit der Gegenfeldmethode, ggf. mit Animation)
  • Energie-Masse-Äquivalenz, Masse und Impuls von Photonen
  • De-Broglie-Wellen und De-Broglie-Gleichung (Beugung an Gitter oder Kristallen)
  • Doppelspaltversuche mit Elektronen und Photonen bei geringer Intensität, stochastische Deutung (Animation)

erhöhtes Niveau (Leistungskurs)

  • Unschärferelationen
  • Orts-Impuls-Unschärfe (z. B. durch Vergleich mit Beugung am Einzelspalt oder Wel- lenpaket als Überlagerung vieler Wellen benachbarter Frequenz)
  • Amplitudenquadrat der Wellenfunktion als Maß für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit

2. Lichtquanten. Der Photoeffekt.

Material für diese Einheit:

Arbeitsaufträge:

  1. Beschreiben Sie die Beobachtung beim Hertz und Hallwachs Versuch und formulieren Sie eine Erklärung.
  2. Warum läßt sich die Beobachtung nicht mit der Wellentheorie des Lichts erklären?

3. Vorbereitung und Messung des planckschen Wirkungsquantums

Material für diese Einheit:

  • DEMO Experiment: Fotoeffekt und die Gegenfeldmethode
  • Cornelsen S. 282
  • Metzler S. 378
  • LeifiPhysik: Gegenfeldmethode

A. Beschreiben und erklären Sie die Messung indem Sie die Fragen beantworten:

  1. Womit wird die Kathode bestrahlt und was passiert dabei?
  2. Wozu wird die Gegenspannung U_g benutzt?
  3. Wie ändert sich die gemessenen Stärke des Fotostromes bei Erhöhung der Gegenspannung und warum?
  4. Welchem Messwert kann man die kinetische Energie der Elektronen entnehmen?
  5. Welche Kurve wird bei einer Auftragung der Frequenz (x-Achse) und der kinetischen Energie (y-Achse) erwartet?
  6. Wie können folgende Werte der Auftragung entnommen werden: Planksches Wirkungsquantum , Grenzfrequenz , Austrittsarbeit?
  7. Was bedeuten diese Werte physikalisch?

B. Führen Sie das Experiment durch und bestimmen Sie die planksche Konstante

  1. Notieren Sie die Messwerte
  2. Erstellen Sie ein Diagramm und bestimmen Sie das plancksche Wirkungsquantum.

4. Besprechung der Auswertung zur Messung des planckschen Wirkungsquantums

Material für diese Doppelstunde:

  1. Die Auswertung des Experimentes
  2. Cornelsen S. 282
  3. Metzler S. 378
  4. LeifiPhysik: Gegenfeldmethode

A. Arbeitsaufträge:

  1. Bestimmen Sie das plancksche Wirkungsquantum und die Austrittsarbeit mit Hilfe der Messung.
  2. Bestimmen Sie die relative Abweichung der Messwerte von den im Buch veröffentlichten und schätzen Sie die Güte der Messung ein.
  3. Diskutieren Sie die Abweichung und den Fehler und nennen Sie Faktoren, die dazu geführt haben.

B. Weiterführende Frage:

  1. Erläutern Sie den Unterschied zwischen dem äußeren und inneren Fotoeffekt.

C. Hausaufgabe:

LeifiPhysik: Quiz zum Photoeffekt

5. Die Lichtquantenhypothese

Material für diese Einheit:

A. Recherchieren Sie und formulieren Sie die Antwort nochmal schriftlich:

  • Warum kann beim Fotoeffekt die Energieübertragung vom Licht auf Elektronen nicht mit der Vorstellung von Licht als Welle erklärt werden? Gehen Sie auf die klassische Vorstellung vom Licht höherer Intensität ein, das eine höhere Energiemenge mit sich führt.

B. Berechnen Sie:

  • Bestimmen Sie die Anzahl der Photonen, die pro Sekunde einen Laserpointer der Leistung P = 5 mW und Wellenlänge 𝜆 = 500 nm verlassen.

LK C. Hausaufgaben :

Metzler S. 379 A1 und A2

6. Quantenhafte Emission von Licht

Material für diese Einheit:

A. Erklären Sie das Experiment

Erklären Sie das Experiment mit den LEDs

B. Führen Sie das Experiment durch

Führen Sie das Experiment durch und bestimmen Sie die planksche Konstante

7. Impuls von Photonen

Material für diese Einheit:

  • Cornelsen S. 286

A. Aufgaben:

  1. Leiten Sie die Formel für den Impuls eines Photons her
  2. Erklären Sie, warum ein Komet zwei Schweife hat. (Cornelsen S288)

8. LK Comptonstreuung

Q3.4 Mikroskopische Stoßprozesse

Material für diese Einheit:

Einzelne Themen/Fragestellungen:

  1. Welche Erhaltungssätze gelten bei der Compton-Streuung?
  2. Wie lautet die Formel für die Wellenlängenänderung?
  3. Wie lautet die Compton-Wellenlänge des Elektrons?
  4. Erläutern Sie die Messmethode im Demonstrationsexperiment 1 (Metzler Versuch 1 S. 384, Cornelsen Exp. 8.13 S. 287).
  5. Erklären Sie den Unterschied der Comptonstreuung zum Fotoeffekt.

9. LK Verteilung der Photonen im Raum

Material:

  • Metzler S. 386

A. Beantworten Sie die Fragen im Heft:

  1. Beschreiben Sie ein Experiment, das eindrucksvoll zeigt, dass man keine genauen Vorhersagen über den Registrierungsort eines Photons machen kann.
  2. Beschreiben Sie das Experiment von Taylor von 1909.
  3. Wie ist die Wahrscheinlichkeitsdichte definiert?

B. Berechnen Sie:

  • Metzler Aufgabe 1 Seite 387: Anzahl der Photonen, die ein menschliches Auge wahrnehmen kann.

10. Aufgabenworkshop Photonenimpuls & Quantisierung

A. Aufgaben ohne Comptonstreuung

Cornelsen:

  • Aufgabe 1 Seite 287 (Energie des Lichtes)
  • Aufgabe 2 Seite 287 (Grenzen des Wellenmodells)
  • Aufgabe 3 Seite 287 (Austrittsenergie/ Experimentelle Bestimmung)
  • Aufgabe 5 Seite 287 (Austrittsenergie/ rechnerische Bestimmung)

LK Metzler:

  • Aufgaben Seite 387

LeifiPhysik

QUIZ

11. LK Aufgabenworkshop Comptonstreuung

A. Aufgaben mit Comptonstreuung:

  • Metzler: A3, A4, A5 S.385
  • Cornelsen: A1, A3 S. 289

12. LK Wahrscheinlichkeitsdeutung und Quanteninterferenz

Material:

A. Recherchieren Sie im Buch und beantworten Sie die folgenden Fragen in Ihrem Heft

  1. Erklären Sie, inwiefern die Energie des monochromatischen Lichtes quantisiert ist.
  2. Erklären sie am Beispiel, was sich und was sich nicht aus der Intensität und der Größe der Energiequanten berechnen lässt.
  3. Erklären Sie den Unterschied zwischen den klassischen und den quantenmechanischen Phänomenen, die sich nur mit Hilfe der Wahrscheinlichkeit beschreiben lassen.

B. Recherchieren Sie zur Kopenhagener Deutung.

  • Material: Cornelsen 324, Metzler 404
  • Formulieren Sie die Aussagen der Kopenhagener Deutung.
  • Wer war der Begründer der Kopenhagener Deutung?
  • Formulieren Sie die Kritikpunkte der Kopenhagener Deutung.

B. Recherchieren Sie im Buch und bereiten Sie eine Präsentation über die Quanteninterferenz vor.

  • Gehen Sie auf Probleme ein wie: "Interferenz eines Photons mit sich selbst", "Interterferenz und Information", "Quantenradierer".
  • Formulieren Sie das Fundamentallprinzip der Quantenmechanik.

C. Recherchieren Sie im Buch und Internet und erläutern Sie das Einstein-Podolsky-Rosen-Experiment

  • Wie ist das Experiment aufgebaut und was wird beobachtet?
  • Was bedeutet "Verschränkung"?
  • Ist die Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit möglich?
Weiterführende Fragen:
  1. Was bezeichnet die "Nicht-Lokalität" der Quantenmechanik?
  2. Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Quantenkryptographie und dem EPR-Experiment?
  3. Welche zwei unterschiedliche Interpretationen der Unschärferelation haben Niels Bohr und Werner Heisenberg in der kopenhager Deutung der Quantenmechanik formuliert?

Quantenphysik (Elektronen)

13. Elektronen als Quantenobjekte

Material:

  • Cornelsen S. 315
  • Metzler S. 390
  • Film: Quantenmechanik Doku

A. Schauen Sie den Film "Quantenmechanik Doku" ab Minute 10:38 an.

B. Notieren Sie:

  1. Leiten Sie die De-Broglie-Wellenlänge aus dem Impuls des Photons her.
  2. Welche Experimente deuten auf einen Quantencharakter der Elektronen?
  3. Wie können Sie die De-Broglie- Wellenlänge des Elektrons ändern?

C. Bearbeiten Sie die Aufgabe schriftlich

Bestimmen Sie die De-Broglie-Wellenlänge eines durch Spannung von 3000 V beschleunigten Elektrons und vergleichen Sie sie mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts.

14. Interferenz am Doppelspalt und an Kristallen

Material:

  • Cornelsen S. 315
  • Metzler S. 390
  • DEMO Experiment: Elektronenbeugung an Kristallen

A. Erläutern Sie die Bragg'sche Gleichung

Schreiben Sie die Bragg'sche Gleichung auf und bereiten Sie eine mündliche Herleitung vor.

B. Bearbeiten Sie die Aufgaben

Rechenaufgaben Cornelsen 319:

  • Auf. 1 S. 319 Erläutern
  • Auf. 2 S. 319 Interferenz Rechnen
  • Auf. 3. S. 319 Interferenzbedingungen (Etwas missverständlich)
  • Auf. 4. S. 319 Interferenzbedingungen (Etwas missverständlich)

LK Rechenaufgaben Metzler 391:

  • A2. Vergleich Impuls und kinetische Energie

LK Rechenaufgaben Metzler S. 393:

  • A1, A2, A3

15. Neutronen, Atome, Moleküle

Material:

  1. Cornelsen S. 319 (Thema)
  2. Metzler S. 394 (Exkursion)
  3. Zum Fulleren siehe C_60 Metzler S. 394

A. Bearbeiten sie schriftlich

Arbeitsblatt 72: Quantenobjekt am Gitter

17. LK Materiewellen

Material:

  1. Cornelsen S. 320
  2. Metzler S. 392 / S. 400

A. Beantworten Sie die folgenden Fragen im Heft

  1. Warum wird zur Beschreibung eines Quantenobjektes eine Wellenfunktion benötigt?
  2. Wie ist die komplexe Wellenfunktions \Psi definiert?
  3. Was können Sie über die physikalische Bedeutung der Wellenfunktion sagen?
  4. Wie berechnen Sie die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen hinter einem Doppelspalt?

1. KA Q3-LK Physik

Thema: "Wechselwirkung der Quantenobjekte mit Materie"

Der voraussichtliche Inhalt 2024:

Die 1. Kursarbeit behandelt das Thema "Quantenphysik" wie es in Lektionen "Quantenphysik (Photonen)" und "Quantenphysik (Elektronen)" behandelt wurde.

Als Einstieg in die Wiederholung bietet sich der Überblick im Cornelsen S327 an.

Formelsammlung

Die Verwendung einer Formelsammlung ist erlaubt und wird ausdrücklich empfohlen.

Quantenphysik (Wahrscheinlichkeit)

18. Statistische Deutung

Material für diese Einheit:

A. Recherchieren Sie und notieren im Heft

Wie lautet die "Statistische Deutung der Quantenmechanik", anders bekannt als die "Kopenhagener Deutung" und wer hat sie formuliert.

19. LK Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation.

Material:

  1. Cornelsen S. 323
  2. Metzler S. 396

A. Beantworten Sie die folgende Frage im Heft

Schreiben Sie die Unschärferelation für die komplementären Größen Impuls/Ort und Energie/Zeit auf und formulieren Sie eine Deutung.

B. Übung

  1. Bestimmen Sie die Unschärfe bei der Ortsangabe \Delta x für einen Körper der Masse m=1kg, bei dem die Geschwindigkeit v=1 m/s mit einer Genauigkeit von 0,001% angegeben werden kann.
  2. Führen Sie dieselbe Rechung für ein Elektron durch.

20. LK Das Unschärfeprinzip

Material:

  • Metzler S. 396

A. Beantworten Sie die folgenden Fragen im Heft

  1. Wie entsteht ein Schwingungspaket (Wellenpaket)?
  2. Welche Unschärferelation besteht für die Zeit des Wellenpaketes (Dauer der Emission) und ihrer Energie.
  3. Wie hängt die Unschärferelation von der Form der Einhüllenden (der Form des Wellenpaketes) ab?
  4. Können wir durch technische Verbesserung der Messverfahren die Unschärferelation verkleinern?

B. Übung

Wie kann die Impulsunschärfe bei Elektronen die einen Einfachspalt passieren abgeschätzt werden? Abb 397.1

21. LK Messung der Unschärfe bei Photonen

Material:

  • Metzler S. 398

A. Beantworten Sie die folgenden Fragen im Heft

  1. Welcher Zusamenhang besteht zwischen der Koharenzlänge eines Wellenzuges \(\Delta x\) und der Linienbreite \(\Delta \lambda\)?

B. Bereiten Sie eine mündliche Präsentation vor:

  • Wie wurde die heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation im dargestellten Experiment mit der Quecksilberhöchsdrucklampe bestättigt?

B. Übung

A1 A2 A3 S399

22. LK Die Wellenfunktion

Material

  1. Metzler S. 400

A. Schreiben Sie die drei im Buch dargestellten Überlegungen zur Psi-Funktion auf.

23. LK Schrödinger Gleichung -`optional

Das Thema ist auch für den LK fakultativ. Und dennoch lohnt es sich, eine gewisse Vorstellung von der Schrödinger Gleichung zu erarbeiten, um ein besseres Verständnis der dargestellten Zusammenhänge aufzubauen.

A. Folgen Sie dem kurzen Vortrag des Lehrers und machen Sie sich Notizen.

Atomphysik

Q3.2 Atommodelle (5 Wochen)

grundlegendes Niveau (Grundkurs und Leistungskurs)

  • klassische Atommodelle (nach Thomson und Rutherford)
  • Quantisierung
  • Bohr’sche Postulate
  • wellenmechanisches Modell (gebundenes Elektron als stehende De-Broglie-Welle am Beispiel des linearen Potenzialtopfes)
  • Linienspektren, Termschema
  • Rydberg-Formel
  • quantenhafte Absorption und Emission, Resonanzabsorption und Stoßanregung (z. B. Flammenfärbung)
  • Lumineszenz und Fluoreszenz (Anwendung: z. B. Weißmacher)

erhöhtes Niveau (Leistungskurs)

  • Quantisierung
  • Vertiefung des Potenzialmodells (z. B. Farbstoffmoleküle, Pauliprinzip), Laser
  • metastabile Niveaus, Inversion
  • stimulierte Emission

24. Entwicklung der Atommodelle

Material:

  • Cornelsen S328
  • FILM: 049 Das Atom - John Dalton und Niels Bohr- Meilensteine

Übertragen Sie die folgende Tabelle ins Heft und lernen Sie sie auswendig.

Modell Entdecker, Ideengeber
Teilchen Demokrit
Kugeln Dalton, verschiedene Massen derselben Kugeln
Rosinenkuchen Thomson, Entdeckung des Elektrons
Kern und Hülle Rutherford, Entdeckung des Kerns, planetarisch aber nicht gequantelt
Planetarisch Bohr, Entdeckung der Energieniveaus
Orbitale Stationäre Lösungen der Schrödinger-Geichung

25. Linienspektren und die Energieniveaus in Atomen

Material:

  • Cornelsen S332
  • Metzler S409
  • DEMO Spektrum der Hg-Dampf Lampe
  • FILM Spectral Lines Demo.mp4
  • Spektrometer

A. DEMO Spektrallinien

Film Spectral Lines Demo, Spektrum der Hg-Dampf-Lampe, Spektrometer

B. Beantworten Sie folgende Fragen im Heft:

  1. Wie lauten die Wellenlänge- und Frequenz-Gleichungen, die die Emissionslinien des Wasserstoffatoms beschreiben?
  2. Beschreiben Sie die Lage der Linien der Balmer Serie. Machen Sie eine Skizze.
  3. Was ergibt sich für n_2 -> unendlich?
  4. Wie lautet die Verallgemeinerung duch Rydberg?

C. Beantworten Sie folgende Fragen im Heft:

  1. Welche Interpretation der Emissionsspektren hat Niels Bohr vorgeschlagen?
  2. Was wird als Quantensprung bezeichnet?
  3. Was wird als Grundzustand bezeichnet?

D. Bereiten Sie Präsentationen am Diagramm 333.2 vor.

Hausaufgaben

Berechnen Sie die Frequenz, Wellenlänge und Energie der Strahlung, die das Wasserstoffatom emitiert, wenn es

  • vom Enerieniveau n_2=3 auf das Energienivieau n_1=2 und
  • vom Enerieniveau n_2=2 auf das Energienivieau n_1=1 wechselt.

26. Bohr'sches Atommodell

Material:

  • Cornelsen S333-336
  • Metzler S414
  • Film: 074 Max Planck und die Quantenphysik

A. Recherche und anschliessende Diskussion

  1. Worauf führte Bohr die diskterten Linien im Emissionsspektrum?
  2. Wie sieht das Bohrsche Atommodell aus?
  3. Wie lautet das erste Bohrsche Postulat, was wird als Quantenzahl und was als Quantenbedingung bezeichnet?
  4. Wie lautet das zweite Bohrsche Postulat?
  5. Was sind die Grenzen des Bohrschen Atommodells?

B. Lehrervortrag zum wellenmechanischen Modell

  1. Zur Herleitung der Bohrschen Quantenbedingung wird der Ansatz eines gebundenen Elektrons als stehende De-Broglie-Welle auf einer kreisförmigen Umlaufbahn vorgestellt. (Siehe auch Leifi-Physik)
  2. Als ein weiteres einfaches QM Modell wird der lineare Potentialtopf vorgestellt. (Siehe auch Leifi-Physik)

C. Aufgaben

  1. Leiten Sie aus der Equivalenz der Zentripetalkraft und der Coulombkraft die Bohrschein Radien her.

  2. Leiten Sie die Energieniveaus im Bohrschein AM her.

    Tipp: \(E_{ges}=E_{kin}+E_{pot}= {1 \over 2} mv^2 + {1 \over 4\pi \epsilon_0} {Q_1 Q_2 \over r}\)

  3. Metzler: *A4 S415 LK

D. Entwerfen Sie ein Plakat zum Bohrschen Atommodell.

Gehen Sie im Besonderen auf die Fragen aus Auftrag A ein.

28. LK Wasserstoffähnliche Atome

Material:

A. Notieren Sie in Ihrem Heft.

  1. Was bezeichnet man als Wasserstoffähnliche Atome
  2. Wie lautet die Formel für die Energieniveaus der wasserstoffählichen Atome.
  3. Was unterscheidet die Rydbergatome von den wasserstoffählichen Atomen.

B. Notieren Sie

  1. Stellen Sie die Energiedifferenzen für den Quantensprung im Wasserstoffatom und im Wasserstoffähnlichen Atom (Ein-Elektron-System) gegenüber.
  2. Machen Sie sich den Unterschied zwischen der Rydbergenergie und der Rydbergkonstante klar.

Hausaufgabe:

ABI 2017 LK B2

29. Fraunhof'sche Linien

Material:

  • Handspektrometer
  • Spektrometer
  • Cornelsen S. 340

A. DEMO: Salz in der Flamme

Beobachten Sie das Experiment mit Hilfe der Handpektrometer

Gut zu wissen:

Während das Emissionsspektrum verdünnter Gase ein Linienspektrum ergibt, emittieren heiße Festkörper und Flüssigkeiten ein kontinuierliches Spektrum, weil die einzelnen Atome zusätzlich miteinander wechselwirken und somit die diskreten Quantenzustände ineinander übergehen.

C. Machen Sie sich eine kurze Notiz:

  1. Was sind Fraunhof'sche Linien
  2. Wie sieht das Emissionsspektrum von Salz aus?

30. Lumineszenz (Fluoreszenz und Phosphoreszenz)

Material:

  • Experimentierkasten Lumineszenz
  • Spektrometer
  • Cornelsen S. 342

A. Beantworten Sie die Fragen im Heft:

  1. Erklären Sie das Phänomen der Fluoreszenz und geben Beispiele für fluoreszierende Stoffe
  2. Erklären Sie das Phänomen der Phosphoreszenz und geben Beispiele für verzögert fluoreszierende Stoffe.
  3. Erläutern Sie die Wirkungsweise optischer Aufheller und begründen Sie, dass sich ihre Wirkung am besten im Freien entfaltet.

31. Vom klassischen zum quantenmechanischen Atommodell LK

32. Der lineare Potentialtopf

Material:

A. Beantworten Sie im Heft:

  1. Leiten Sie die Energieniveaus für ein Teilchen in einem Potentialtopf her.
  2. Welche Randbedingungen müssen Sie annehmen, wenn das Potential nicht unendlich tief ist.
  3. Wie sehen die Aufenthaltswahrscheinlichkeiten für die ersten drei Energieniveaus aus?

LK B. Übungen

  1. Berechnen Sie die Energie und Wellenlänge für a=10-9
  2. Metzler: A1 S241

33. Geschichte der Quantenmechanik

optional

Material:

  • Film: 049 Das Atom - John Dalton und Niels Bohr - (15 Min)
  • Film: 074 Max Planck und die Quantenphysik - (15 Min)

A. Arbeitsauftrag

Schauen Sie die zwei Filme an und notieren Sie sich jeweils drei für Sie interessante, überraschende, wichtige Zusammenhänge oder Informationen in Ihrem Heft.

34. LK Die Schrödingergleichung und das Periodensystem

optional

1. Auftrag

Folgen Sie dem Lehrervortrag und notieren Sie mindestens drei Zusammenhänge, die Ihnen am wichtigsten erscheinen.

35. Rydberg'sche Serienformel

36. Spektren im sichtbaren Bereich

37. LK Der Helium-Neon-Laser

Material:

A. Erstellen Sie ein Plakat/ eine DIN A4 Seite in Ihrem Heft

Erstellen Sie ein Plakat, mit dessen Hilfe Sie die Funktionsweise des Lasers erklären können.

B. Aufgabenvorschläge

Aufgaben zum Laser Leifiphysik

C. Weitere Aufgaben nach Wahl

  • Cornelsen S. 365
  • Metzler S. 443

38. LK Berechnung der Absorptionsspektren von Farbstoffmolekülen

Material:

  • Metzler S. 444

A. Bearbeiten Sie die Aufgaben 1, 2, und 3* auf Seite 445

39. LK Wissenstest Atomphysik

Material:

  • Metzler S. 448

1. Auftrag

Wählen Sie eine der Aufgaben und bereiten Sie eine Präsentation der Lösung vor.

Röntgenstrahlung

Q3.3 Röntgenstrahlung (2 Wochen)

grundlegendes Niveau (Grundkurs und Leistungskurs)

  • Erzeugung (Aufbau der Röntgenröhre)
  • Nachweis von Röntgenstrahlung, Wirkung und Gefahren
  • charakteristisches und kontinuierliches Spektrum, kurzwellige Grenze

erhöhtes Niveau (Leistungskurs)

  • Bragg-Reflexion

40. Eigenschaften von Röntgenstrahlung

Für diese Einheit benötigen Sie:

  • Cornelsen S359-365

A. Folgende Aufträge stehen im Raum

  1. Zählen Sie die Eigenschaften der Röntgenstrahlung auf.
  2. Erklären Sie den Aufbau der Röntgenröhre.

B. Erforschung der Kristallstruktur

Lesen Sie den Textabschnitt Cornelsen S.360 und erläutern Sie wie man mit Hilfe der Röntgenstrahlung Kristallstrukturanalyse betreibt.

41. Spektrum der Röntgenstrahlung

Für diese Einheit benötigen Sie:

  • Cornelsen S361-365
  • optional Messung des Röntgenspektrums

A. Aufträge

  1. Erläutern Sie die Drehkristallmethode zur Aufnahme eines Röntgenspektrums.
  2. Erklären Sie die kurzwellige Grenze des Röntgenspektrums.
  3. Erklären Sie die Herkunft des charakteristischen und kontinuierlichen Röntgenspektrums.

B. Diagnose mit Röntgenstrahlung

  1. Erläutern Sie mithilfe des Textabschnittes Cornelsen S.264 den Nachweis, die Wirkung und Gefahren von Röntgenstrahlung.
  2. Beantworten Sie die Fragen 1. und 2. Seite 365 Cornelsen

2. KA Q3-LK Physik

Thema: "Atomphysik"

Dauer LK: (4-Schulstunden/ 180 Minuten)
Der voraussichtliche Inhalt 2024:

Die 2. Kursarbeit behandelt das Thema "Atomphysik". Dazu zählen verschiedene Atommodelle, im Speziellen das Bohrsche AM und die Wechselwirkung der Atome mit anderen Quantenobjekten.

Als Einstieg in die Wiederholung bietet sich der Überblick im Cornelsen S370 an.

Formelsammlung

Die Verwendung einer Formelsammlung ist erlaubt und wird ausdrücklich empfohlen.

LK Wiederholung

Im Kapitel "Wiederholung" finden Sie verschiedene Themen/ Links/ Aufgaben aus Q1,Q2 udn Q3

42. Aufgaben

Thema Aufgaben
Unschärferelation Aufgaben auf LeifiPhysik
Netzwerke von Widerständen und Kondensatoren Metzler S229 A12, A13, A14
Aufbau von Kondensatoren Metzler S229 A15, A16
Laden und Entladen eines Kondensators Metzler S229 A17, A18
Lorentz-Kraft Metzler S235 A4, A5
Hall-Effekt Metzler S237 A2, A3

Spezielle Relativitätstheorie und Astrophysik

43. Grundlagen

Material:

  • Cornelsen S424
  • Metzler S351

A. Recherchieren Sie im Buch

  • Notieren Sie die Einstein-Postulate der Speziellen Relativitätstheorie.

B. Recherchieren Sie im Buch und bereiten Sie sich auf eine allgemeine Diskussion über folgende Themen vor:

  • Relativitätsprinzip von Galilei, Bezugsystem, Inertialsystem
  • Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
  • Äthertheorie und das Michelson-Morley-Experiment
  • Die Konsequenz des Michelson-Morley-Experiment

C. Rechenaufgabe zum Michelson-Morley-Experiment

Berechnen Sie die Zeit, die ein Schwimmer braucht, um eine Strecke von 100m hin und zurück zu schwimmen. Die Strecke A verläuft quer zum Fluss, die Strecke B verläuft entlang des Flusses. Der Fluss fliesst mit einer Geschwindigkeit von 25 m/min und der Schwimmer schwimmt mit einer Geschwindigkeit von 50 m/min. Kann man beide gleichlangen Strecken in derselben Zeit schwimmen?

44. Zeitdilatation und Längenkontraktion

Material:

  • Cornelsen S429
  • Metzler S352
  • Film: Die Kuriosität der Zeit.mp4

A. Die Kuriosität der Zeit

Schauen Sie zum Einstieg den Film "Die Kuriosität der Zeit.mp4" an.

B. Recherchieren Sie im Buch:

optional Schauen Sie die Herleitung der Zeitdilatation aus dem Gedankenexperiment mit zwei Photonen-Uhren an.

Diskutieren Sie die Zeitdilatation. Wie berechnen Sie die Zeit \(\Delta t'\) im bewegten Inertialsystem, die man im ruhenden Inertialsystem beobachtet.

LK D. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A1 S355 Metzler: Weltraumfahrer
  • A2 S355 Metzler: Vorbeifliegende Rakete
  • A1 S356 Metzler: Myonen zum Ersten
  • A2 S356 Metzler: Menschliche Myonen
  • A3 S356 Metzler: Verdopplung der Halbwärtszeit

E. Recherchieren Sie im Buch:

  • Diskutieren Sie die Längenkontraktion. Wie berechnen Sie die Länge l im bewegten Inertialsystem, die man im ruhenden Inertialsystem beobachtet.

LK F. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A2 S358 Metzler: Myonen zum Zweiten
  • A3 S358 Metzler: Star Wars

45. Relativitätsprinzip und Gleichzeitigkeit 35

Material:

  • Big Bang 2 - Seiten 445-446
  • Reader "AB 160 - Fragen und Antworten zur Relativitätstheorie"
  • Film: Das Garagen-Paradoxon.mp4

A. Ein Blick in die Vergangenheit / Beobachten und Sehen

Recherchieren Sie auf Seite 445 und 446 zur hyperbolischen Verzerrung von Linien quer zur Bewegungsrichtung.

B. Aufgaben

Bearbeiten Sie folgende Aufgaben aus Ihrem Reader "Fragen und Antworten zur Relativitätstheorie"

  1. Frage/ Aufgabe 2 mündlich
  2. Frage/ Aufgabe 3 mündlich
  3. Frage/ Aufgabe 4 mündlich
  4. Frage/ Aufgabe 5 mündlich
  5. Frage/ Aufgabe 6 schriftlich

C. Das Garagenparadoxon

Schauen Sie den Film "Das Garagen-Paradoxon.mp4" an. Erklären Sie im TPS Verfahren die dargestellten Zusammenhänge.

Erläutern Sie das Problem der Synchronisation von Uhren und Gleichzeitigkeit in bewegten Inertialsystemen.

46. Raum-Zeit-Diagramme

Material:

  • Cornelsen S435
  • Metzler S359
  • AB_20_V50_Minkowski Diagramm

LK A. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A1 S359 Metzler: Koordinaten in drei Bezugsystemen
  • A2 S359 Metzler: Geschwindigkeit bestimmen

LK B. Recherchieren Sie im Text und erläutern Sie die folgenden Themen:

Wie ist ein Minkowski-Diagramm aufgebaut? Wie werden die Achsen skaliert? Wie lese ich die Koordinaten in verschiedenen Bezugsystemen in einem Minkowski-Diagramm ab?

LK C. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • A1 S361 Metzler: Minkowski-Diagramm 1
  • A2 S362 Metzler: Minkowski-Diagramm 2

D. Aufgabe zum Minkowski Diagramm

Arbeiten Sie mit dem Arbeitsblatt AB_20_V50_Minkowski Diagramm.

  1. Benennen Sie die Lichtgerade
  2. Benennen Sie die Weltlinie des ruhenden Beobachters A
  3. Benennen Sie die Weltlinie des bewegten Beobachters B (Raumschiff B)
  4. Benennen Sie die Zeitachse und Raumachse des bewegten Beobachters B mit t' und x'.
  5. Zeichnen Sie die Weltlinie eines Raumschiffes C, das sich mit derselben Geschwindigkeit wie B bewegt, aber 1 Ls hinter B fliegt.
  6. Zeichnen Sie die Weltlinie eines Raumschiffes D, das sich mit derselben Geschwindigkeit wie B und C bewegt, aber 1 Ls vor B fliegt.
  7. Zum Zeitpunkt t=0s wird vom B in beide Raumrichtungen ein Lichtsignal ausgestrahlt. Zeichen Sie die fehlende Lichtgerade. Zeichnen Sie das Ereignis in der Raumzeit ein, wann und wo das Lichtsignal die Raumschiffe C und D erreicht?
  8. Finden die Ereignisse gleichzeitig statt?
  9. Wie weit ist das Raumschiff B nach 4 Sekunden geflogen? Wie viel Zeit ist auf dem Raumschiff B vergangen?
  10. Nach 3 Sekunden im ruhenden System A und nach 3 Sekunden auf dem Raumschiff B wird ein Lichtsignal gesendet. Wann erreichen die Signale A und B?
  11. Zeichnen Sie zwei Raumzeitereignisse P_1 und P_2, die von A aus gesehen, gleichzeitig stattfinden. Benennen Sie die Reihenfolge, in der P_1 und P_2 auf B beobachtet werden?

47. Zeitdehnung und Raumschrumpfung

Material: Big Bang 2 - ab Seite 453

A. Zeitdehnung quantitativ

Recherchieren Sie auf Seite 455 im Info-Kästchen und erklären Sie Ihrem Sitzpartner den Pythagoreischen Zusammenhang für die Herleitung der Zeitdilatationformel.

B. Aufgaben

Big Bang 2 Aufgaben.

48. Aufgaben & Videos SRT GK

  1. Ein Übergang von einem 2D Minkowski Diagramm zu einem 3D oder 4D
  1. Interessantes Video von Sabine Hossenfelder zu den Themen space-time, space-time diagrams, the relativity of simultaneity and the block universe:
  1. Überlegungen zum Block Universe

49. Masse-­Energie Äquivalenz

Für diese Einheit benötigen Sie:

  1. Cornelsen S. 439-443
  2. Film: Masse-Energie Äquivalenz.mp4 (Prof. KH Maier, Uni Heidleberg)
  3. Film: What Do You Mean Mass is Energy?.mp4 (englisch, Higgs Feld und Masse)
  4. Film: SRT E = mc^2 | Josef M. Gaßner.mp4 (mit Rechnungen aber verständich)
  5. Film: Spezielle Relativitätstheorie • Kommentarcheck (Josef M. Gaßner, 22 Min)

50. Allgemeine Relativitätstheorie

Für diese Einheit benötigen Sie:

  1. Cornelsen S. 444-449
  2. Film: Die Schwerkraft-Illusion (100 Sekunden Physik, 6 Min)
  3. Film: Warum unsere Erde die Zeit verzerrt (100 Sekunden Physik, 4 Min)
  4. Film: Allgemeine Relativitätstheorie Äquivalenzprinzip Krümmung (Josef M. Gaßner, 27 Min)
  5. How Curved Spacetime Works | Gravity & Relativity Explainer

51. Hertzsprung-Russel-Diagramme

Material:

  • Cornelsen S464

A. Bearbeiten Sie folgende Aufgaben:

  • Zeichnen Sie das Hertzspring-Russel-Diagramm 465.1 ab und beschreiben Sie die Position der Hauptreihensterne, der roten Riesen, Überriesen, Weißen Zwerge und der Sonne.

B. Recherchieren Sie im Text und erläutern Sie die folgenden Aspekte:

  • Wo liegen die Sterne, die man normale Zwerge nennt?
  • Welche Beziehung zwischen Leuchtkraft und Photosphärentemperatur gilt für die Hauptreihensterne?
  • Welche Beziehung zwischen Leuchtkraft und Masse gilt für die Hauptreihensterne?
  • Welche Beziehung zwischen Leuchtkraft und Radius gilt für die Hauptreihensterne?
  • Was charakterisiert die verschiedenen Sternentypen?

C. Recherchieren Sie im Text zur Sternenentstehung und Sternenentwicklung (Cornelsen S.466) sowie im Internet:

  • Beschreiben Sie die jeweiligen Stationen der Sternentwicklung kurz, z.B. tabelarisch
Entwicklung Beschreibung
Interstellare Materie & Sternentstehung ?
Protostern ?
Hauptreihenstadium ?
Riesenstadium ?
Planetarische Nebel ?
Weiße Zwerge ?
Neutronensterne ?
Supernovae ?
Schwarze Löcher ?
  • Skizzieren Sie kurz den Entwicklungsablauf eines Sterns im Hertzsprung-Russel-Diagramm

3. KA Q4 Physik

Thema: "Atomphysik"

Der voraussichtliche Inhalt 2025:

Der Inhalt der Klausur ist nicht nicht klar.

Formelsammlung

Die Verwendung einer Formelsammlung ist erlaubt und wird ausdrücklich empfohlen.

Abiturvorbereitung

52. Q1

THEMEN DER Q34-PHASE: Quanteneffekte, Stochastische Deutung von Quantenobjekten, Überblick über die klassischen Atommodelle, Wahlthema: Festkörperphysik, Kernphysik, Elementarteilchenphysik, Astrophysik, Relativitätstheorie, Chaotische Vorgänge

Impressum

Bei Fragen wenden Sie sich bitte an:

Thomas Pawletko
Heinrich-von-Gagern-Gymnasium
Bernhard-Grzimek-Allee 6-8
60316 Frankfurt am Main
Telefon: 069 212-35150 | Fax: 069 212-40537 | Schulhomepage