Physik

„Die Physik untersucht die grundlegenden Phänomene in der Natur.“

So oder ähnlich versuchen Nachschlagewerke, die Physik – als eine der klassischen Naturwissenschaften – zu definieren.

Im Gegensatz also zur Biologie, die sich mit der naturwissenschaftlichen Untersuchung des Lebens beschäftigt, und auch zur Chemie, die sich vor allem
dem Aufbau und der Umwandlung von Stoffen widmet, studiert der Physiker andersgeartete natürliche Phänomene, etwa das fundamentale
Zusammenspiel von Materie und Energie, den Gegensatz von Wellen und Teilchen und die Eigenschaften von Raum und Zeit.
Mehr als alle anderen Wissenschaften benötigt der Physiker Methoden der Mathematik, um seine Erkenntnisse zu ordnen und zu systematisieren;
dieser Teil der Physik wird als „theoretische Physik“ bezeichnet. Demgegenüber versucht die „experimentelle Physik“, durch Versuche (also durch die
methodische Beobachtung, Messung und Beeinflussung der Natur) Wissen zu erlangen.

Der technische Fortschritt der vergangenen Jahrhunderte ist zu einem wesentlichen Teil der Physik zu verdanken. Moderne Informationstechnologie
(Computer, Internet, Handy) ebenso wie Transportmittel (Auto, Flugzeug, Raumschiffe) sind ohne physikalische Erkenntnisse ebenso undenkbar wie
neueste medizinische Technologie (CT, MRT, Strahlentherapie). Allerdings bildet physikalisches Wissen auch die Grundlage zahlreicher gefährlicher
Entwicklungen, etwa in der Waffenindustrie (→ Kernwaffen).
Die Allgegenwart der Physik in unserer modernen Gesellschaft erfordert die Kompetenz, physikalische Konzepte im täglichen Leben zu erkennen,
ebenso wie die Kompetenz, den Nutzen und die Grenzen physikalischer Methoden realisieren und, ganz allgemein, einen kritischen Standpunkt
einnehmen zu können. Der Vermittlung dieser Kompetenzen dient der Physikunterricht.

Am Westfalen-Kolleg Dortmund vermittelt der Physikunterricht sowohl einen Einblick in die theoretische wie auch in die experimentelle Physik.
Zahlreiche Teilgebiete und Konzepte der Physik werden ausführlich behandelt:

•    Klassische Mechanik (Energie, Kraft, Gravitation, ...)
•    Elektromagnetismus (Elektrostatik, Elektrodynamik, Magnetfelder, Induktion, ...)
•    Schwingungen und Wellen (elektromagnetische Wellen, Materiewellen, ...)
•    Moderne Physik (Atom- und Kernphysik, Quantenphysik, Spezielle Relativitätstheorie, ...)

Zur Gestaltung des Physikunterrichts am Westfalen-Kolleg kommen neben dem wichtigsten „Hilfsmittel“ des Physikers, dem Experiment, auch moderne
Medien zum Einsatz, etwa Beamer, elektronische Whiteboards und Software zur computergestützten Modellierung.
Der Physikunterricht am Westfalen-Kolleg setzt dabei keine Vorkenntnisse voraus: In der Einführungsphase (1. und 2. Semester) findet eine erste
Einführung in die Mechanik statt, bei der grundlegende Konzepte, wie Energie und Bewegung, thematisiert werden. Und auch in der Qualifikationsphase
(3. bis 6. Semester) wird nur das Wissen der Einführungsphase vorausgesetzt.

Die Studierenden werden zudem erst allmählich daran gewöhnt, Phänomene fachsprachlich zu formulieren und zu diskutieren; in den ersten Semestern
kann es durchaus ausreichend und sogar fruchtbar sein, physikalische Zusammenhänge umgangssprachlich zu beschreiben. Auch der Einsatz der
Mathematik wird auf das Notwendige beschränkt.
 

Das Fach Physik in der Einführungsphase (1.+2. Semester)

Physik wird in der Einführungsphase mit einem Umfang von zwei Wochenstunden im ersten oder zweiten Semester unterrichtet.

Um den Unterrichtsgang der Qualifikationsphase vorzubereiten, aber auch, um die grundsätzliche Bedeutung der Mechanik zu betonen, wird in der
Einführungsphase ausschließlich Mechanik unterrichtet.
Die letzten zweihundert Jahre haben zu einer explosionsartigen Vermehrung physikalischen Wissens geführt. Aus diesem Grund gliedert sich die Physik
mittlerweile in zahlreiche Teilgebiete, wie etwa die Akustik, die Optik, die Elektrodynamik sowie die Atom- und Kernphysik. Alle diese Teilgebiete setzen
zumindest ein grundlegendes Wissen auf dem Gebiet der Mechanik voraus.
Die Mechanik beschäftigt sich mit der Beschreibung bewegter Körper (Kinematik). Dazu nutzt sie Begriffe wie Ort, Zeit, Geschwindigkeit und Beschleunigung.
Des Weiteren nutzt die Mechanik Konzepte wie Energie und Kraft, um die Bewegung von Objekten in Abhängigkeit äußerer Einflüsse analysieren und
vorhersagen zu können (Dynamik).
Die Entscheidung, in der Einführungsphase Mechanik zu unterrichten, stellt zudem sicher, dass alle Studierenden des Westfalen-Kollegs Dortmund, unabhängig von ihrer schulischen Vorbildung, dem Unterricht im Fach Physik folgen können.

Verbindliche Semesterthemen der Einführungsphase:

Im Fokus des Mechanikunterrichts steht das physikalische Konzept der Energie. Im Einzelnen werden folgende Unterrichtsgegenstände thematisiert:

•    Energie (Energiewandler, Energieerhaltung, ...)
•    Lageenergie und Bewegungsenergie (optional: Spannenergie und Wärmeenergie)
•    Energetische Betrachtungen beim freien Fall und vertikalen Wurf
•    Leistung
•    geradlinig gleichförmige Bewegung (Bewegungsgleichungen, Bewegungsdiagramme, ...)

Die Einführung des Kraftbegriffs und der Newtonschen Axiome bleibt dem 3. Semester vorbehalten. Stattdessen wird ausreichend Raum zum Experimentieren geboten;
so wird ausgehend von einem Experiment eine zentrale Formel der Mechanik gemeinsam mit den Studierenden hergeleitet.
Die Wertschätzung des Experiments nährt sich aus verschiedenen Quellen: Zum einen stellen Experimente grundlegende Erfahrungen dar, auf deren Grundlage
wissenschaftliche Hypothesen generiert werden; zum anderen dienen Experimente der Überprüfung von bereits bestehenden Hypothesen, um diese gegebenenfalls zu „falsifizieren“ (widerlegen).

Die Kompetenz, die physikalische Fachsprache zu nutzen, wird in der Einführungsphase nicht vorausgesetzt, sondern allmählich erworben. Des Weiteren wird im Regelfall nur so viel Mathematik benötigt,
wie im Rahmen des Mathematikunterrichts bereits vermittelt werden konnte.

Physik ist in der Qualifikationsphase als Grundkurs im Umfang von drei Wochenstunden und als Leistungskurs im Umfang von fünf Wochenstunden wählbar.
Das physikalische Wissen der Gegenwart ist mittlerweile kaum mehr überschaubar. Selbst forschend tätige Physiker sind nicht mehr Experte in allen Bereichen ihrer Disziplin,
sondern nur auf dem speziellen Gebiet ihrer eigenen, wissenschaftlichen Arbeit. Analog muss auch der Physikunterricht eine Auswahl derjenigen Themen vornehmen,
in die er eine Einführung bieten möchte. Dies wird laufend mit den ministeriellen „Vorgaben zu den unterrichtlichen Voraussetzungen für die schriftlichen Prüfungen im Abitur der Bildungsgänge Abendgymnasium und Kolleg“ abgeglichen.

Verbindliche Semesterthemen der Qualifikationsphase:

3. Semester:

Mechanik

• Kinematik
• Energie
• Kraft
• Würfe
• Kreisbewegung
• ...

4. Semester:

Ladungen und Felder

• elektrisches Feld
• magnetisches Feld
• Spannung
• Lorentzkraft
• Bewegungen von Ladungsträgern in elektromagnetischen Feldern
• ...
  

Elektromagnetismus

• elektromagnetische Induktion
• Selbstinduktion
• ...
  

5. Semester:

Elektromagnetische Schwingungen und Wellen

• Interferenz
• Beugung
• Elektromagnetischer Schwingkreis
• ...
  

Quantenphysik

• Teilchennatur des Lichts
• Wellennatur des Elektrons
• Heisenbergsche Unschärferelation
• Spezielle Relativitätstheorie
  

6. Semester:

Atom- und Kernphysik

• Linienspektren und Energiequantelung des Atoms
• Atommodelle und Potentialtopfmodell
• Röntgenspektroskopie und -beugung
• ionisierende Strahlung und radioaktiver Zerfall
• Massendefekt
• Kernspaltung, Kernfusion und Kettenreaktion
• ...

Viele der oben genannten Teilgebiete werden sowohl im Grund- als auch im Leistungskurs unterrichtet; allerdings findet im Leistungskurs eine intensivere, differenziertere
und fachmethodisch vielfältigere Auseinandersetzung statt, um den vergleichsweise höheren Anforderungen der zentralen Abiturprüfung gerecht zu werden.

Das Westfalen-Kolleg Dortmund bietet den Studierenden auch außerhalb des „normalen“ Unterrichts eine Reihe von Möglichkeiten, ihren physikalischen Interessen nachzugehen.

So erlaubt beispielsweise die Arbeitsgemeinschaft „Astronomie“ allwöchentlich einen Einblick in die Welt der Planeten, Sterne und Galaxien.
Darüber hinaus finden regelmäßig Exkursionen ganzer Kurse an das „DLR School Lab“ statt, einer Einrichtung der TU Dortmund und des Deutschen Zentrums für Luft und Raumfahrt. Seit 2013 ist das Westfalen-Kolleg zudem Kooperationsschule des School Labs.
Hier können die Studierenden Experimente in unterschiedlichen Gebieten der Physik und Informatik durchführen, beispielsweise zu den Themen Werkstoffkunde, Schwerelosigkeit und Servicerobotik.

Durch die Teilnahme an Wettbewerben und Ausschreibungen kann den Studierenden zudem die Möglichkeit geboten werden, ihre Leistungsfähigkeit
im Wettstreit mit Bewerbern anderer Kollegs und Abendgymnasien unter Beweis zu stellen. So konnten sich Studierende des Westfalen-Kollegs Dortmund in den vergangenen Jahren
regelmäßig für eine Teilnahme an der Studierendenakademie ProMINat qualifizieren; die Teilnehmer dieses Programms besuchen als Kurzzeitpraktikanten das Forschungszentrum Jülich, eine der größten wissenschaftlichen Einrichtungen Europas.
 

Das Curriculum ist auf der Grundlage der Vorgaben im Zusammenhang mit dem „Zentralabitur NRW“ konzipiert!

Ministeriale Vorgaben für das Zentralabitur mit den fachspezifischen Operatoren und Aufgabenbeispielen für das Fach Physik.