Physik

Physik ist dynamisch, Physik ist spannend, Physik erklärt und wirft Fragen auf, Physik verblüfft.

Physik – what else?

Kurzeinführung

Warum ist der Himmel blau? Warum kommt meine WhatsApp-Mitteilung ohne Kabel zu meinem Freund? Wieso fliegt der Fussball um die Mauer ins Tor? Weshalb liefert eine Solarzelle elektrische Energie? Was ist Energie überhaupt? Stimmt es, dass ein schnelles Raumschiff kürzer wird? Gibt es Antimaterie?

Das sind alles Fragen, die sich mit Physik untersuchen und beantworten lassen. Wir legen die Grundlagen dazu. Mach mit!

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Lehrplan

Lehrplan Physik

Allgemeine Einführung

Bereits einer der Mitbegründer der Quantenphysik, Werner Heisenberg (1901-1976), hat sich in seinem Buch «Physik und Philosophie» in einem Kapitel zur «Bedeutung der modernen Physik in unserer Zeit» Gedanken gemacht. Was bringt uns die Physik? Sie bringt nicht nur ein immer genaueres Verständnis der Natur, sondern auch den Blick auf die Grenzen unseres Wissens und unserer Vorstellungen von Wirklichkeit. Sie lehrt uns, dass unser Verständnis der Natur insbesondere auch von den Fragen geprägt ist, mit denen wir ihr begegnen.

Am offensichtlichsten ist der Einfluss der physikalischen Erkenntnisse auf die technischen Entwicklungen. Die Smartphones und die immer kleiner werdenden Computer wurden erst möglich, als man die Physik der Halbleiter zu verstehen begann. Das GPS in deinem Handy ist nur deshalb so genau, weil die Relativitätstheorie von Albert Einstein berücksichtigt wird. Die neuen Elektroautos gehorchen dagegen den vergleichsweise alten Gleichungen von James Clerk Maxwell (1831–1879) aus dem 19. Jahrhundert. Wenn man aber wissen will, ob und warum Elektroautos besser als Dieselfahrzeuge sind, braucht es eine ganze Menge an physikalischem Wissen, damit man wirklich sachlich argumentieren kann.

Auf einer zweiten Ebene hat die Physik unsere Vorstellung von der Welt, in der wir leben, stark verändert. Ist die Erde das Zentrum des Universums? Ist unser ganzes Leben vorbestimmt? Hat es wirklich geknallt, als alles begann? Und gibt es ein Ende? Seit der Relativitätstheorie wissen wir, dass Zwillinge nicht zwingend gleich alt sein müssen und dass sogar Lichtstrahlen auf die krumme Bahn geraten können. Mit der Quantenmechanik beginnt Gott plötzlich zu würfeln und Teilchen und Wellen werden eins.

Aber die Physik kann auch einfach nur interessant sein. Warum fällt der Kinderkreisel nicht um? Weshalb schützt uns das Magnetfeld der Erde vor den gefährlichen Teilchen, welche uns die Sonne schickt? Wieso ist ein Kreuzfahrtschiff so stabil unterwegs? Wie macht der OLED-Fernseher all die Farben? Warum leuchtet die Sonne über Millionen von Jahren hinweg auch ohne Stromanschluss?

Es lohnt sich, Physik zu lernen! Für Spannung ist gesorgt!

Grundlagenfach Physik

Das Grundlagenfach Physik startet im zweiten Schuljahr. Als erstes führen wir in die Mechanik ein. Wir beschreiben Bewegungen und finden heraus, warum sie passieren. Wir lernen verschiedene Kräfte kennen und können ihren Einfluss auf die verschiedensten Bewegungen beurteilen. Bald kommt auch die Energie ins Spiel. Eine seltsame Sache. Ihre Gesamtmenge ändert sich nie! Dabei lernen wir, warum man sie eigentlich gar nicht verbrauchen kann und warum es trotzdem sinnvoll ist, «Energie zu sparen».

Mit den elektrischen Strömen wird es im ersten Praktikum im wahrsten Sinne des Wortes spannend! In elektronischen Schaltungen können wir Ströme und Spannungen messen und berechnen. Wir erforschen, wie Kräfte zwischen elektrischen Ladungen wirken und lernen die Gefahren im Umgang mit Elektrizität einzuschätzen.

Elektrizität und Magnetismus arbeiten wunderbar zusammen, zum Beispiel im Elektromotor oder beim Senden und Empfangen von Signalen im kabellosen Netz zu Hause. Wir setzen uns mit den verschiedensten elektromagnetischen Phänomenen auseinander und erklären auch die Kreisbahnen, welche geladene Teilchen in einem Magnetfeld beschreiben.

Auch Himmelskörper beschreiben Kreisbahnen. Ihre Bewegungen, aber auch diejenigen von schwingenden Systemen und Wellen lassen sich gut mit den zuvor in der Mathematik gelegten Grundlagen verstehen und bereiten auf die moderne Physik vor.

Im zweiten Praktikum erarbeiten wir uns mit verschiedenen Versuchen das Verständnis für optische Phänomene, wodurch Alltägliches, wie Brille und Schminkspiegel, aber auch Teleskop und Mikroskop erklärbar werden.

Am Ende haben wir die Freiheit, aus modernen Themen der Physik auszuwählen. Vielleicht wirst du in die Grundideen der Relativitätstheorie eingeführt, lernst vieles über radioaktive Zerfälle und die Funktionsweise eines Kernreaktors oder staunst über die unglaublichen Effekte in der Quantenmechanik. Auf jeden Fall bekommst du einen Einblick, wie die moderne Physik unser Denken verändert hat!

Schwerpunktfach Physik und Anwendungen der Mathematik

die Natur in ihrer Vielfalt beobachten und – wenn möglich – mathematisch beschreiben
Experimente durchführen und auswerten
Gesetzmässigkeiten vermuten und beweisen
Abläufe simulieren und vorhersagen
Beschreibungsformen entwickeln in Worten, mit Zahlen, Formeln und Figuren
technische Nutzungen kennenlernen

Studien und Berufe

Für die folgenden Berufsziele und Studienrichtungen bietet der Schwerpunkt «Physik und Anwendungen der Mathematik» eine sehr gute Vorbereitung:

Mathematiker/in, Physiker/in
Informatiker/in, rechnergestützte Wissenschaften, Kommunikationstechniker/in
Architekt/in, Bauingenieur/in, Geomatikingeneur/in
Maschineningenieur/in, Elektroingenieur/in
Mikrotechnik-Ingenieur/in, Werkstoffingenieur/in, Forstingenieur/in
Geologe/Geologin, Geograph/in
Arzt/Ärztin, Apotheker/in, Physiotherapeut/in
Pilot/in
Lehrberufe in mathematisch-naturwissenschaftlichen Richtungen auf Sekundar- oder Mittelschulstufe

Voraussetzungen

Freude an der Natur und Interesse an deren Beobachtungen
Interesse an Fragestellungen aus dem Bereich der Mathematik und den Naturwissenschaften
Bereitschaft, an kniffligen Problemen zu arbeiten und der Wille, eine Lösung zu finden
Lösungen exakt und gründlich auszuarbeiten
Ausdauer

Themen aus der Physik

Mechanik

Die im Grundlagenfach erarbeiteten Basiskenntnisse in der Mechanik weiten wir aus. So können wir bei Bewegungen neu den Luftwiderstand berücksichtigen und so zum Beispiel die Flugbahnen von Bällen verstehen oder einen Fallschirmspringer gefahrlos landen lassen. Frisbees, Kreisel, rollende Räder und andere rotierende Körper lernen wir physikalisch zu beschreiben. Neben der Energie finden wir mit dem Impuls und dem Drehimpuls zwei weitere Grössen, die sich ohne äussere Einwirkung auch bei noch so komplizierten Bewegungsabläufen nie ändern!

Elektromagnetismus

Wir lernen neben dem elektrischen Widerstand die beiden anderen Grundbausteine der Elektronik, den Kondensator und die Spule, kennen. Mit ihnen konstruieren wir in der Wechselstromtechnik elektronische Filter und berechnen weitere interessante Anwendungen. Wechselstromkreise lassen uns Sender und Empfänger von elektromagnetischen Wellen verstehen. Diese Wellen kommen zum Beispiel als sichtbares Licht und UV-Strahlung vor, finden ihren Einsatz aber auch in der Technik, wie beispielsweise beim kabellosen Netzwerk (WLAN), bei der Übertragung von TV-, Radio- und Handy-Signalen oder in der Mikrowelle, wo sie dein Essen erwärmen.

Moderne Physik

Während wir im Grundlagenfach Physik nur einen knappen Einblick in ein bis zwei Themen der modernen Physik geben können, haben wir im Schwerpunkt mehr Zeit, zum Beispiel die Ideen von Albert Einstein (Spezielle Relativitätstheorie), Erwin Schrödinger (Quantenmechanik) oder anderen nachzuvollziehen. Wir lernen die Grundlagen kennen, sodass wir genauer wissen, was es mit dem Zwillingsparadoxon, der Verkürzung von Raumschiffen oder Schrödingers Katze auf sich hat. Auch verschaffen wir uns einen Überblick über die Welt der kleinsten Teilchen: Quarks, Leptonen, Bosonen. Und natürlich wollen wir auch wissen, was es mit dem erstmals 2012 nachgewiesenen Higgs-Boson auf sich hat. Dabei erfahren wir, in Goethes Worten, “was die Welt im Innersten zusammenhält”.

Flexibles Lernformat (FLF)

Natürlich kommt auch im Schwerpunktfach das Praktische nicht zu kurz! Im FLF kommt das technische Zeichnen, das Programmieren, das Löten oder auch ein 3D-Drucker zum Zug. So lassen wir zum Beispiel unsere eigenen zweirädrigen, selbstbalancierenden Roboter entstehen.

Du wirst nicht nur deine rechnerischen Fähigkeiten aus der Mathematik in der Physik anwenden müssen. Du planst, baust, misst, prüfst und optimierst ein eigenes technisches System. Das verlangt Fachwissen, Kreativität, Ausdauer und Zusammenarbeit.

Themen aus den Anwendungen der Mathematik

Raumgeometrie

Wie kann ein räumliches, 3-dimensonales Objekt auf einem ebenen, 2-dimensionalen Blatt Papier dargestellt werden?

In der Raumgeometrie geben wir auf diese fundamentale Fragestellung verschiedene Antworten (Konstruktionen im Schrägbild resp. im Grund- und Aufriss) und schulen so das räumliche Vorstellungsvermögen. Zudem werden wir mit der Vektorgeometrie ein Werkzeug kennenlernen, welches einen rechnerischen Zugang zu 3-dimensionalen Situationen bietet.

Matrizen

Eigentlich sind Matrizen nur eine rechteckige Anordnung von Zahlen. Doch ihre Anwendungen sind zahlreich und sehr nützlich.

So kann man mit ihnen grosse Gleichungssysteme einfach lösen, geometrische Abbildungen (z.B. Drehungen, Streckungen, …) algebraisch darstellen oder Produktionsvorgänge beschreiben, bei denen man die Endprodukte in Abhängigkeit der Rohstoffe kennt. Zudem können wir Matrizen nutzen, um Texte zu verschlüsseln und wieder zu entschlüsseln.

Kugelgeometrie

Neben der „klassischen“ Geometrie in der Ebene gibt es noch verschiedene andere Geometrien. Wir untersuchen im Speziellen die Geometrie auf der Kugel und werden z.B. feststellen, dass ein Dreieck nicht mehr von Geraden begrenzt wird, sondern neu wird ein Kugel-Dreieck durch (Gross-)Kreise festgelegt. Zudem ist die Innenwinkelsumme im Kugel-Dreieck immer grösser als 180° und der Satz von Pythagoras gilt auch nicht mehr.

Mit neuen und z.T. überraschenden Gesetzen werden wir in der Lage sein, Routen von Flugzeugen und Schiffen berechnen zu können.

Differentialgleichungen

Mit Differentialgleichungen können komplexe Situationen mathematisch modelliert werden. Diese spielen bei der Beschreibung aller Situationen eine Rolle, bei welchen der momentane Zustand eines Systems die Tendenz seiner Veränderung mitbestimmt. Anwendungen lassen sich in allen naturwissenschaftlichen Bereichen finden, z.B. in der Epidemiologie: Wie breitet sich eine Krankheit aus? Wann ist der Höhepunkt erreicht?