Physik, Technische Berufsmatura, HTW Chur, Thomas Borer, 2007/08

Lernziele

Allgemein

• eine Problemstellung mit exakter und strukturierter Arbeitsweise bearbeiten können.
• sich aus dem Studium eines schriftlichen Dokumentes neue Kenntnisse erarbeiten können.
• einen Text inhaltlich analysieren und in Form eines Mindmaps zusammenfassen können.
• eine neue Problemstellung selbstständig und in Gruppen bearbeiten können.
• einen bekannten oder neuen Sachverhalt analysieren und beurteilen können.
• neue Erkenntnisse und offene Fragen in einer Gruppe diskutieren können.
• Erkenntnisse in geeigneter Form zusammenfassen können.
• Lösungswege in Gruppen diskutieren können.
• Lösungswege vollständig, übersichtlich und verständlich dokumentieren können.
• physikalische Grundgesetze in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• Aussagen und Beziehungen zwischen Grössen mit Hilfe physikalischer Grundgesetze als Gleichungen formulieren können.
• die Vollständigkeit eines Gleichungssystems beurteilen können.
• mit dem Computerprogramm Dynasys ein einfaches systemdynamisches Modell erstellen und abändern können.
• mit dem Computerprogramm Dynasys einfache Simulationen und Parameterstudien ausführen können.
• mit dem Computerprogramm Dynasys ein systemdynamisches Modell erstellen können, das ein experimentell bestimmtes Verhalten eines dynamischen Systems beschreibt.
• einfache Zahlenrechnungen ohne Taschenrechner ausführen können.
• experimentell ermittelte Daten auswerten und grafisch darstellen können.
• Zeitdiagramme verstehen sowie selber erstellen und korrekt beschriften können.
• einen grafischen Zusammenhang analytisch darstellen können.
• die Proportionalität zweier Grössen verstehen und korrekt ausdrücken können.
• die Analogien zwischen Gravitiation, Hydraulik, Elektrizität, Mechanik und Wärme kennen und verstehen.
• einige physikalische Grundgesetze und Grundformeln auswendig kennen (siehe gelbe Blätter).

Dynamische Prozesse

• wissen, dass die Physik eine Naturwissenschaft ist.
• wissen, dass in der Physik die Theorie und das Experiment untrennbar zusammen gehören.
• wissen, dass ein wesentlicher Aspekt der Physik das Bilden von Modellen ist.
• verstehen, was ein dynamischer Prozess ist.
• Beispiele von dynamischen Prozessen in der Natur kennen.
• verstehen, was eine mengenartige Grösse ist.
• verstehen, dass eine mengenartige Grösse fliessen und gespeichert werden kann.
• verstehen, dass einige mengenartige Grössen entstehen und vergehen können.
• einige Beispiele von mengenartigen Grössen in der Physik und in Bereichen ausserhalb der Physik kennen.
• die Ursache für das Fliessen einer mengenartigen Grösse kennen.
• den Unterschied zwischen der Beschreibung eines physikalischen Prozesses und dem dazugehörigen Wortmodell verstehen.
• verstehen, was ein dynamisches System ist.
• das Bilanzieren einer mengenartigen Grösse mit dem Computerprogramm Dynasys verstehen.
• die Begriffe "Modellierung", "Simulation" und "Parameterstudie" kennen und verstehen.
• ein systemdynamisches Modell entwerfen können.
• das Diagramm eines systemdynamischen Modelles verstehen.
• verstehen, wie in einem dynamischen System Energie freigesetzt, umgeladen und gebunden wird.
• ein Systemdiagramm eines einfachen Energieumladers zeichnen können.
• die Grössen "Prozessleistung" und "Wirkungsgrad" kennen und verstehen.
• die Begriffe "freiwillige/unfreiwillige Prozesse" und "Energieumlader" kennen und verstehen.
• die Grössen "Gravitationsprozessleistung", "Gravitationsfeldstärke" und "Gravitationspotential" kennen und verstehen.
• die Prozessleistung, die umgesetzte Energie und den Wirkungsgrad in einem einfachen Energieumlader bestimmen können.
• verstehen, dass Energie auf einem Träger transportiert wird.
• die Grössen "Energiestrom" und "Trägerstrom" kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen Energiestrom, Trägerstrom und Niveau kennen und verstehen.
• die Rolle der Energie in Prozessketten verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem Energiestrom und der ausgetauschten/transportierten Energie verstehen.
• aus dem Energiestrom-Zeit-Diagramm die in einer bestimmten Zeitspanne transportierte Energie bestimmen können.
• Energiespeicher aus der Natur und der Technik kennen.
• wissen, dass Energie in einem System gespeichert werden kann.
• wissen, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
• verstehen, was Messen grundsätzlich bedeutet.
• verstehen, wie sich eine physikalische Grösse aus einer Masszahl und einer Masseinheit zusammensetzt.
• wissen, dass und warum es das SI-Einheitensystem gibt.
• die wichtigsten SI-Basiseinheiten kennen.
• einige abgeleitete SI-Einheiten kennen.
• einfache physikalische Grössen in SI-Basiseinheiten angeben können.
• die Vorsätze und Zeichen der wichtigsten dezimalen Vielfache und Teile von Einheiten kennen.
• einfache physikalische Grössen in sinnvollen dezimalen Vielfachen oder Teilen von SI-Basiseinheiten angeben können.
• die Zehnerpotenzdarstellung physikalischer Grössen kennen.
• physikalische Grössen in der Zehnerpotenzdarstellung angeben können.

Hydraulik

• wissen, was man unter Hydraulik versteht.
• hydraulische Systeme kennen.
• die hydraulischen Prozesse in einem hydroelektrischen Kraftwerk erkennen können.
• das Volumen als mengenartige Grundgrösse der Hydraulik verstehen.
• die Grössen "Volumenstrom" und "ausgetauschtes/transportiertes Volumen" kennen und verstehen.
• verstehen, dass sich die Volumenstromstärke immer auf eine Refernzfläche bezieht.
• den Zusammenhang zwischen einem Strom und einer ausgetauschten/transportierten Menge verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem Volumenstrom und dem ausgetauschten/transportierten Volumen verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• die Grössen "Volumen", "Volumenänderung" und "Volumenänderungsrate" kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem Volumen und der Volumenänderungsrate verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen der Volumenänderungsrate und der Volumenänderung verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den zeitlichen Verlauf von Volumen und Volumenänderungsrate grafisch darstellen können.
• das Bilanzieren einer mengenartigen Grösse verstehen.
• die Bilanzgesetze für Ströme und ausgetauschte Mengen verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Druck als Phänomen verstehen.
• wissen, dass der Druck isotrop wirkt.
• die Druckeinheiten Pa, bar, Torr und deren Beziehungen zueinander kennen.
• den Unterschied zwischen einem Absolutdruck und einem Überdruck verstehen.
• die Ursache für den Schweredruck in einer Flüssigkeit kennen.
• die Gesetzmässigkeit, mit welcher der Druck in einer Flüssigkeit mit zunehmender Tiefe zunimmt, kennen, grafisch darstellen und in einer konkreten Problemstellung anwenden können.
• verstehen, dass der Druck in einer Flüssigkeit nicht von der Gefässform abhängt.
• verstehen, wie ein Flüssigkeits-Barometer funktioniert.
• das Volumen als Energieträger verstehen.
• den Druck als Energiebeladungsmass des Volumens verstehen.
• den Zusammenhang zwischen Volumenstrom, Druck und Energiestrom kennen und in einem Volumenstrom-Druck-Zeit-Diagramm darstellen können.
• aus dem zeitlichen Verlauf von Volumenstrom und Druck den momentanen Energiestrom und die in einer bestimmten Zeitspanne transportierte Energie bestimmen können.
• die hydraulische Prozessleistung für einen einfachen Energieumlader bestimmen können.
• die Grösse "hydraulischer Widerstand" kennen und verstehen.
• aus dem Volumenstrom-Druckdifferenz-Diagramm Aussagen über den hydraulischen Widerstand machen können.
• den Zusammenhang zwischen dem hydraulischen Widerstand, der Volumenstromstärke und der Druckdifferenz in einer konkreten Problemstellung anwenden können.
• verstehen, was eine laminare, turbulente Strömung ist.

Elektrizität

• verschiedene Vorgänge im Alltag und in der Technik als elektrische Erscheinungen erkennen.
• wissen, dass zwischen Elektrizität und Magnetismus ein Zusammenhang besteht.
• mindestens drei technische Anwendungen der Elektrizität und des Magnetismus aufzählen können.
• die Grösse "elektrische Ladung" kennen und als mengenartige Grundgrösse verstehen.
• wissen, dass elektrische Ladung eine mengenartige Grösse ist, in einem Körper gespeichert werden kann, transportiert werden kann, sowohl positive als auch negative Werte annehmen kann, eine Erhaltungsgrösse ist, immer an ein Teilchen gebunden ist.
• verstehen, wie ein Elektrometer funktioniert.
• wissen und verstehen, dass die Stärke des elektrischen Ladungsstromes in einem geschlossenen, unverzweigten Stromkreis an jeder Stelle gleich gross ist.
• drei Wirkungen von elektrischen Ladungsströmen kennen.
• die Grössen "elektrischer Ladungsstrom" und "transportierte Ladungsmenge" kennen und deren Zusammenhang verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Ladungsstrom und der transportierten Ladungsmenge verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Knotensatz kennen, verstehen und anwenden können.
• die Grössen "elektrisches Potential" und "elektrische Spannung" kennen und deren Zusammenhang verstehen.
• das Potential-Positions-Diagramm eines elektrischen Stromkreises zeichnen können.
• die elektrische Spannung als Antrieb des elektrischen Ladungsstromes verstehen.
• den Maschensatz kennen, verstehen und anwenden können.
• wissen und verstehen, wie man Strommessgeräte (Ampèremeter) und Spannungsmessgeräte (Voltmeter) in einen Stromkreis schaltet und abliest.
• einen einfachen Stromkreis mit Netzgerät, Widerstandselement, Ampèremeter und Voltmeter aufbauen können.
• wissen, wie die Grössen "elektrischer Widerstand" und "spezifischer elektrischer Widerstand" definiert sind.
• verstehen, was die Kennlinie eines Widerstandselementes ist.
• die Kennlinie eines Widerstandselementes experimentell bestimmen und interpretieren können.
• verstehen, was ein ohm'scher Widerstand ist.
• die Beziehung zwischen Länge, Querschnitt, spezifischem Widerstand und Widerstand kennen und anwenden können.
• wissen, dass der elektrische Widerstand im Allgemeinen temperaturabhängig ist.
• den Ersatzwiderstand zweier seriell, parallel geschalteter Widerstandselemente kennen.
• den Ersatzwiderstand einer Widerstandsschaltung bestimmen können.
• die elektrischen Grundgesetze (Knotensatz, Maschensatz, Widerstandsgesetz) zur Analyse von elektrischen Schaltungen anwenden können.
• die elektrische Ladung als Energieträger verstehen.
• das elektrische Potential als Energiebeladungsmass der elektrischen Ladung verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Ladungsstrom und dem Energiestrom kennen.
• den Zusammenhang zwischen dem elektrischen Ladungsstrom, der elektrischen Spannung und der elektrischen Prozessleistung kennen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• das Systemdiagramm eines vorgegebenen Gerätes zeichnen können.
• die Analogien zwischen elektrischen und hydraulischen Grössen kennen und verstehen.

Mechanik

• den Impuls bzw. Schwung als mengenartige Grundgrösse der Mechanik verstehen.
• wissen, dass Impuls in einem Körper gespeichert werden kann.
• verstehen, dass in einem Körper Impuls gespeichert sein muss, damit er sich bewegen kann.
• wissen, dass Impuls in einen Körper hinein oder aus ihm heraus fliessen kann.
• wissen, dass Impuls weder erzeugt noch vernichtet werden kann.
• Impulsströme in konkreten Situationen erkennen können.
• den Zusammenhang zwischen Impuls, Masse und Geschwindigkeit eines Körpers kennen.
• verstehen, dass der Impuls ein Vorzeichen trägt.
• die Eigenschaften des Impulses und den Zusammenhang zwischen Impuls, Masse und Geschwindigkeit eines Körpers zur Analyse und Lösung von konkreten Problemstellungen anwenden können.
• das Flüssigkeitsbild des Impulses kennen, verstehen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen Impulsströmen und Zug- bzw. Druckbelastung verstehen.
• die Impulsstromregel, welche den Zusammenhang zwischen der Impulsstromrichtung und der Zug- bzw. Druckbelastung wiedergibt, auswendig kennen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• Impulsströme in konkreten Situationen korrekt einzeichnen können.
• den Zusammenhang zwischen Impulsströmen und Kräften verstehen.
• die Zuordnungsregel, die den Zusammenhang zwischen Impulsströmen und Kräften wiedergibt, auswendig kennen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• die an einem Körper angreifenden Kräfte erkennen und korrekt einzeichnen können.
• das Wechselwirkungsprinzip verstehen.
• den Zusammenhang zwischen einem Impulsstrom und dem dazugehörigen Actio-Reactio-Kräftepaar verstehen.
• in konkreten Situationen Wechselwirkungskräfte, d.h. Actio-Reactio-Kräftepaare erkennen können.
• den Zusammenhang zwischen der Impulsstromstärke und dem geflossenen Impuls verstehen und in einer konkreten Problemstellung anwenden können.
• das Impulsbilanzgesetz bzw. das Grundgesetz der Mechanik kennen, verstehen und für ein konkretes System anwenden können.
• den Zusammenhang zwischen der Impulsänderungsrate und der Impulsänderung in einer konkreten Problemstellung anwenden können.
• die Ursache der Gravitation und die Wirkung der Gravitation auf einen Körper verstehen.
• wissen, dass die Gravitation eine von vier Grundwechselwirkungen der Natur ist.
• für einfachere Phänomene aus der Natur und der Technik beurteilen können, welche der vier Grundwechselwirkungen der Natur für das Phänomen hauptsächlich verantwortlich ist.
• den Unterschied zwischen Gewicht und Masse verstehen.
• verstehen, dass die Grössen Impuls, Impulsstrom, Kraft Vektorcharakter haben.
• die vektorielle Addition bzw. Zerlegung von Impuls, Impulsstrom und Kraft verstehen und zur Analyse und Bearbeitung von konkreten Problemstellungen anwenden können.
• die Zusammenhänge zwischen Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung verstehen und für einfache eindimensionale Bewegungen anwenden können.
• aus dem Ort-Zeit-Diagramm einer eindimensionalen Bewegung mittlere und momentane Geschwindigkeiten herauslesen können.
• mit Hilfe des Ort-Zeit-Diagrammes einer eindimensionalen Bewegung das dazugehörige Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• aus dem Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm einer eindimensionalen Bewegung zurückgelegte Strecken sowie mittlere und momentane Beschleunigungen herauslesen können.
• mit Hilfe des Geschwindigkeit-Zeit-Diagrammes einer eindimensionalen Bewegung das dazugehörige Beschleunigung-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• mit Hilfe des Geschwindigkeit-Zeit-Diagrammes einer einfachen eindimensionalen Bewegung und der Vorgabe eines Anfangsortes das dazugehörige Ort-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• aus dem Beschleunigung-Zeit-Diagramm einer eindimensionalen Bewegung Geschwindigkeitsänderungen herauslesen können.
• mit Hilfe des Beschleunigung-Zeit-Diagrammes einer einfachen eindimensionalen Bewegung und der Vorgabe einer Anfangsgeschwindigkeit das dazugehörige Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm zeichnen können.
• verstehen, was eine gleichförmige Bewegung ist.
• verstehen, was eine gleichmässig beschleunigte Bewegung ist.
• Beispiele von gleichförmigen und gleichmässig beschleunigten Bewegungen kennen.
• das Ort-Zeit-, das Geschwindigkeit-Zeit- und das Beschleunigung-Zeit-Diagramm einer gleichförmigen und einer gleichmässig beschleunigten Bewegung kennen.
• aus dem Ort-Zeit- oder Geschwindigkeit-Zeit- oder Beschleunigung-Zeit-Diagramm einer Bewegung herauslesen können, ob es sich bei der Bewegung um eine gleichförmige, eine gleichmässig beschleunigte oder einen anderen Typ Bewegung handelt.
• die Ort-Zeit- und Geschwindigkeit-Zeit-Beziehung für eine gleichmässig beschleunigte Bewegung kennen und in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Impuls als Energieträger verstehen.
• die Geschwindigkeit als Energiebeladungsmass des Impulses verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem Impulsstrom und dem Energiestrom kennen, verstehen und bei der Analyse und beim Lösen von konkreten Problemstellungen anwenden können.
• wissen, was Energiedissipation ist.
• die mathematischen Ausdücke für die kinetische und die potentielle Energie kennen und anwenden können.
• die Impuls- und Energieerhaltung in konkreten Problemstellungen anwenden können.

Wärme

• die Entropie bzw. Wärme als mengenartige Grundgrösse verstehen.
• wissen, dass Entropie im Unterschied zu anderen mengenartigen Grössen erzeugt werden kann.
• wissen, dass Entropie in einen Körper hinein oder aus ihm heraus fliessen kann.
• wissen, dass Entropie in einem Körper gespeichert werden kann.
• den Unterschied zwischen Energie und Temperatur verstehen.
• verstehen wie die Celsius-, Fahrenheit-, absolute (Kelvin-) Temperaturskala definiert ist.
• den Zusammenhang zwischen den verschiedenen Temperaturskalen kennen und verstehen.
• eine Temperaturdifferenz als Antrieb für einen Entropiestrom verstehen.
• die Entropie als Energieträger verstehen.
• die Temperatur als Energiebeladungsmass der Entropie verstehen.
• den Zusammenhang zwischen dem Entropiestrom und dem Energiestrom kennen und verstehen.
• den Energieumsatz in einer Wärmekraftmaschine, Wärmepumpe verstehen.
• den Zusammenhang zwischen der Entropieerzeugung und der Irreversibilität von Prozessen verstehen.
• den Zusammenhang zwischen ausgetauschter Energie und Temperaturänderung kennen und verstehen.
• die Grössen "spezifische Energiekapazität", "spezifische Schmelzenergie", "spezifische Verdampfungsenergie" kennen und verstehen.
• den Zusammenhang zwischen ausgetauschter Energie und Temperaturänderung in konkreten Problemstellungen anwenden können.
• den Temperaturverlauf bei Erwärmungs- und Phasenänderungsvorgängen kennen und verstehen.
• Mischvorgänge in der Energiedarstellung analysieren können.

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