Physik

Der Physikunterricht gibt den Studierenden einen Einblick in die fachspezifischen Methoden der Naturbetrachtung. Er vermittelt Vorstellungen über den stofflichen Aufbau der Natur und die Gesetzmässigkeiten des Naturgeschehens und zeigt auf, dass die Natur auch rational erfasst und verstanden werden kann.

Im Rahmen des Physikunterrichts werden u.a. Fragen der folgenden Art behandelt :

. Wie entstehen die Mondphasen, Ebbe und Flut? (Astronomie)

. Welche Kräfte wirken bei einem Frontalunfall mit dem Auto? (Mechanik)

. Was ist elektrischer Strom und wie wird er genutzt? (Elektrizitätslehre)

. Wie breiten sich Erdbeben aus? (Schwingungen und Wellen)

. Wie arbeitet ein Atomkraftwerk? (Atom- und Kernphysik)

Damit ermöglicht er einerseits, Sicherheit und Vertrauen im Umgang mit der natürlichen und der technischen Umwelt aufzubauen, andererseits weckt und fördert er Neugierde und kritisches Interesse an Natur und Technik. Er führt zur Einsicht, dass physikalisches Wissen einen wesentlichen Teil des aktuellen Weltbildes ausmacht und damit die heutige gesellschaftliche Situation in starkem Maße mitprägt.

Das Erlernen physikalischer Methoden der Naturbetrachtung verschafft den Studierenden einen vertieften naturwissenschaftlichen Zugang zur Alltagswelt. Sie sind in der Lage, dabei die grundlegenden Elemente der naturwissenschaftlichen Arbeitsweise anzuwenden, nämlich Beobachten, Beschreiben, Aufstellen von Hypothesen und Experimentieren.

In der Einführungsphase sollen die Studierenden auf die Hauptphase des Kurssystems vorbereitet werden. In der Einführungsphase wird das Fach zwei Stunden pro Woche unterrichtet, in der Hauptphase im Grundkurs dreistündig, im Leistungskurs fünfstündig. Am Köln-Kolleg findet der Physikunterricht in Fachräumen statt, denen eine umfangreiche Versuchsgerätesammlung angeschlossen ist. Es bieten sich viele Möglichkeiten zum Experimentieren, wobei das Köln-Kolleg auch über eine Ausstattung zur Versuchsdurchführung am Computer (mit Beamer) verfügt.

Der Wissensstand der Studierenden im Fach Mathematik wird in allen Phasen der Einführungsphase berücksichtigt, so dass einige der unten detaillierter aufgeführten Themen im Gegensatz zur Hauptphase nur qualitativ bzw. in einer vereinfachten mathematischen Form im Unterricht erarbeitet werden können. Dem Experiment kommt eine zentrale Stellung bei der Erkenntnisgewinnung in der Physik zu, es ist die Frage des Physikers an die Natur. Die Auswertung von Versuchen wird im Schulunterricht in der Regel zu bereits bekannten Naturgesetzen führen. Die Studierenden lernen beim Experimentieren umsichtig und kritisch zu beobachten und zu beurteilen. Ihre Alltagserfahrungen werden in den Unterricht ebenso einfließen wie vorhandenes Wissen aus ihren Ausbildungen.

Einführungsphase

  1. Semester: Mechanik (Kinematik)
  • Masse und Dichte
  • Geschwindigkeit, Vektoraddition und -zerlegung
  • Trigonometrische Funktionen am rechtwinkligen Dreieck
  • Gesetze der gleichförmigen und gleichmäßig beschleunigten Bewegung
  • Waagerechter und senkrechter Wurf
  1. Semester: Mechanik (Dynamik,Kreisbewegung)
  • Kraft, Newton-Axiome, Grundgleichung der Mechanik
  • Kräftezerlegung und Kräfteaddition am Beispiel der schiefen Ebene
  • Arbeit, Energie, Energieerhaltung, Leistung
  • Kreisbewegung, Zentripetalkraft
  • Gravitationsgesetz

Qualifikationsphase

  1. Semester: Elektrodynamik
  • elektrische Ladung und Feldstärke; Spannung
  • Millikan-Versuch zur Bestimmung der Ladung eines Elektrons (Elementarladung)
  • homogenes  magnetisches Feld, Lorentzkraft, Leiterschaukel
  • e/m – Bestimmung mit dem Fadenstrahlrohr; Masse des Elektrons
  • Oszilloskop oder Messwerterfassungssystem
  • sinusförmige Wechselspannung
  • elektromagnetische Induktion, Leiterschleife
  • Lenz´sche Regel, Thomson’scher Ringversuch
  • Generator
  • Transformator
  • Modellexperiment zu Freileitungen
  • Wirbelströme
  1. Semester: Quantenobjekte  (Photon, Elektron)
  • mechanische Schwingungen und Wellen
  • ebene Wellen, Kreiswellen, Wellenwanne
  • Beugung und Brechung
  • Beugung von Licht am Doppelspalt und am Gitter
  • Hallwachs-Versuch
  • Photoeffekt; Quantelung der Lichtenergie; Austrittsarbeit
  • Elektronenbeugung; Materiewellen
  • de-Broglie-Wellenlänge
  • Welle-Teilchen-Dualismus
  1. Semester:  Strahlung und Materie
  • Atommodelle
  • Linienspektren
  • Franck-Hertz-Versuch
  • Charakteristische Röntgenspektren
  • Sonnenspektren (Frauenhofersche Linien)
  • Flammenfärbung
  • radioaktive Strahlung
  • Geiger-Müller-Zählrohr
  • Absorptionsexperimente
  • Wirkung ionisierender Strahlung
  • Atomkerne
  • Elementarteilchen
  • Teilchenumwandlungen
  1. Semester: Relativität von Raum und Zeit
  • Michelson-Morley-Experiment
  • Konstanz der Lichtgeschwindigkeit
  • Zeitdilatation, Lichtuhr (Gedankenexperiment)
  • Myonenzerfall
  • Masse-Energie-Beziehung
  • Massedefekt
  • Zyklotron