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Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 2 von 32 Erde und Weltraum Beitrag 4 VII Rund um die Reihe Warum wir das Thema behandeln „Voyager 1 erreicht Schwelle zur Unendlichkeit“ oder „Forscher beobachten Geburt eines riesigen Planeten“ – zwei von zahllosen Schlagzeilen aus Zeitungen oder Nachrichtenmagazinen, die uns vor Augen führen, wie faszinierend die Astronomie ist. Auch Schülerinnen und Schüler* haben ein großes Interesse an der Astronomie, das man im naturwissenschaftlichen Unterricht aufgreifen kann. Sie haben Fragen, die nicht einmal die aktuelle Forschung beantworten kann. Motivierend wird es für sie sein, ein eigenes funktionsfähiges Teleskop zu bauen, um Sonnenflecken am Tag zu entdecken und in der Dunkelheit den Sternenhimmel zu entdecken. Dabei lernen sie die Bedeutung der Himmelsbeobachtung für die Astronomie kennen und können die verschiedenen elektromagnetischen Wellen den Teleskoptypen zuordnen sowie eigene Beobachtungen planen und durchführen. U A * Im weiteren Verlauf wird aus Gründen der besseren Lesbarkeit nur „Schüler“ verwendet. Was Sie zum Thema wissen müssen Ein Teleskop ist eine Kombination verschiedener optischer Elemente, das weit entfernte ObjektedemAugenahebringt.DieoptischenBestandteilebeieinemklassischenTeleskopsind dasObjektiv,derTubusunddasOkular. H C Das Objektiv sammelt die elektromagnetische Strahlung, wie sichtbares Licht, Wärme oder Radiowellen, mit einem optischen System. Dieses System kann aus Linsen oder Spiegeln bestehen. Der TubusverbindetdasObjektivmitdemOkular.UmdieeingefangeneStrahlung möglichst störungsfrei weiterzuleiten, ist er von innen schwarz ausgekleidet und rau. Durch die raue Oberfläche wird das Streulicht gedämpft. Das OkularhilftdemAuge,indasjeweilige optische System zu blicken. Es besteht aus einer einzelnen Linse oder aus einem Linsensystem.DasObjektiventwirftvoneinemweitentferntbeindlichenBeobachtungsobjekteinreelles oder ein virtuelles Bild, das mit dem Okular betrachtet wird. S R Sammellinse und Zerstreuungslinse O V Eine Linse, die in der Mitte dicker ist als am Rand, ist konvex und heißt Sammellinse. Fällt ein paralleles Lichtstrahlenbündel durch sie hindurch, so entsteht ein konvergentes, also zulaufendes Lichtstrahlenbündel. Der Punkt, an dem sich alle Strahlen schneiden, ist der Brennpunkt F. Es entsteht an dieser Stelle ein scharfes reelles Abbild der Umgebung, das durch einen weißen Schirm sichtbar gemacht werden kann. Da sich die Lichtstrahlenbündel kreuzen, steht das Bild einer einzelnen Sammellinse auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. (Dies kann von Schülern sehr gut mit einer brennenden Kerze und einem weißen Schirm getestet werden.) Der Abstand von Linse und Brennpunkt ist die Brennweite f. Eine Linse, die in der Mitte dünner ist als am Rand, ist konkav und heißt Zerstreuungslinse. Sie macht aus einem parallelen Lichtstrahlenbündel ein divergentes, also auseinander laufendes Lichtstrahlenbündel. Da die Lichtstrahlen gestreut werden, entsteht kein reelles Bild, sondern ein virtuelles Bild hinter der Linse im Brennpunkt F. Dieser Brennpunkt liegt dort, wo sich die auseinanderlaufenden Strahlen theoretisch kreuzen würden. Da sich die Strahlengänge nicht schneiden, ist das enstandene Bild aufrecht. Man kann dieses virtuelle Bild durch die Linse sehen, aber nicht mit einem Schirm festhalten. Der Abstand von Linse und Brennpunkt ist auch hier die Brennweite f. Vergrößern Die Vergrößerung V gibt an, um welchen Faktor das betrachtete Objekt vergrößert oder verkleinert wird.DieVergrößerungerrechnetsichausderObjektivbrennweite,dividiertdurchdie Okularbrennweite.HatdasObjektivdesTeleskops1000mmBrennweiteunddasOkular10mm Brennweite,ergibtsicheineVergrößerungvon1000:10=100.SomiterscheintdasObjektdurch das Fernrohr 100-mal größer als es in der Realität ist. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 zur Vollversion VII Erde und Weltraum Beitrag 4 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 3 von 32 Das Linsenteleskop Bei diesem Teleskoptyp sind als optische Bauteile eine Objektiv- und eine Okularlinse an den beiden Enden des Tubus angebracht.UmBildfehlerzuvermeiden,sindOkularundObjektiv häuigalsLinsensystemeeingebautundbestehensomitjeweilsausmehrerenLinsen. RichtetmaneinLinsenfernrohraufeinObjekt,sowirddasvonihmausgehendeLichtdurch dasObjektiveingefangenunddurchseinLinsensystemgeleitet.Dadurchwird,jenachLinsentyp, ein reelles oder ein virtuelles Zwischenbild im Brennpunkt erzeugt. Durch das Okularsystem wird das optische Bild betrachtet und weiter vergrößert. Das Kepler-Fernrohr (1611),auchastronomischesFernrohrgenannt,stelltdieObjekteseitenverkehrt und auf dem Kopf stehend dar. Neben diesem Fernrohr verwendete man in früherer Zeit auch das Galilei-Fernrohr (1608), bei dem ein aufrechtes Bild geliefert wird. Das Spiegelteleskop Dieser Teleskoptyp besitzt als Objektiv einen Hohlspiegel. Daneben gibt es als optische Bauteile einen oder mehrere Hilfsspiegel und das Okular. Alle Bauteile sind in einen Tubus eingebaut oder sind geöffnet, wenn der Hohlspiegel zu groß wird. U A Der berühmte Physiker Isaac Newton (1643–1727) baute um 1668 den ersten Newton-Spiegel. Dabei befindet sich kurz vor dem Brennpunkt des Hauptspiegels ein ebener Hilfsspiegel, der die Lichtstrahlen aus dem Tubus herauslenkt. H C Spiegelteleskope eignen sich neben Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts auch für die Messung von Ultraviolett- bis Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung). Das Radioteleskop Nachdem Karl Guthe Jansky 1932 feststellte, dass Radiowellen die Erdatmosphäre durchdringen können, wurden die ersten Radioteleskope zur Erforschung des Weltraums gebaut. Radioteleskope sind parabolisch geformte Metallflächen, die einfallende Radiowellen auf einen kleinen Hohlspiegel in deren Mitte reflektieren. Dieser Hohlspiegel bündelt die Strahlung auf eine Antenne, von der aus die Daten zur Verarbeitung weitergeleitet werden. S R Die größten Anlagen bestehen aus mehreren Parabolspiegeln und bündeln die Radiowellen auf eine gemeinsame Antenne. Durch diesen Zusammenschluss mehrerer Antennen wird der Empfängerdurchmesser vergrößert. Die Auflösung kann so 500-mal besser sein als die der Linsen- und Spiegelteleskope. O V Vorschläge für Ihre Unterrichtsgestaltung Hinweise zur Unterrichtsgestaltung Der Einstieg in die Reihe erfolgt mit einem Bildimpuls in Form der Folie M 1 zu verschiedenen Teleskopen. Sie soll das Interesse wecken, indem sich die Schüler mit den Abbildungen auseinandersetzen und Fragen zur Weltraumbeobachtung formulieren. Die Materialien M 2 und M 3 dienen der Wiederholung oder Einführung von Strahlengängen durch konvexe und konkave Linsen und deren vergrößernde oder verkleinernde Wirkung. Diese beiden Arbeitsblätter werden alleine und zum Teil mit einem Partner bearbeitet. In der anschließenden Erarbeitungsphase beschäftigen sich die Schüler in Einzel- oder Partnerarbeit mit dem Aufbau und der Funktion eines Kepler-Teleskops M 4. Sie lernen die BegriffeObjektiv,TubusundOkularkennenundzeichnendenStrahlengangdurchdieLinsendes Fernrohrs ein, wie sie es aus M 2 und M 3 kennen. Danach setzen sie sich in M 5 mit unterschiedlichen Arten von Teleskopen, wie dem Linsenfernrohr, dem Spiegelteleskop und dem Radioteleskop, auseinander. Die dritte Erarbeitungsphase findet als Gallery-Walk in Gruppen statt. Dabei sollen sich die Schüler mit großen Teleskopen beschäftigen, deren Einsatzorte sich voneinander unterscheiden. Im Mittelpunkt stehen das Hubble-Weltraum-Teleskop (M 6), das E-ELT in der AtacamaWüste in Chile (M 7), das Gaia-Teleskop (M 8) und die fliegende Sternwarte SOFIA (M 9). 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 zur Vollversion VII Erde und Weltraum Beitrag 4 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 7 von 32 Die Reihe im Überblick Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt Fo = Folie · V = Vorbereitungszeit * = Materialbedarf einer Gruppe = Zusatzmaterial auf CD · D = Durchführungszeit Stunden 1/2: Strahlengänge und Linsen – Abbilden, Vergrößern und Verkleinern Material Thema und Materialbedarf M 1 (Fo) Weltraumbeobachtung früher und heute M 2 (Ab) Grundlagen: Optische Linsen – weißt du Bescheid? M 3 (Ab) Optische Linsen – Vergrößern und Verkleinern Stunden 3/4: Wie funktioniert ein Teleskop? – Verschiedene Teleskope kennenlernen U A Material Thema und Materialbedarf M 4 (Ab) Das Kepler-Fernrohr – Aufbau und Funktion M 5 (Ab) Immer weiter in die Ferne – Teleskope im Überblick Stunden 5/6: Verschiedene Teleskope im Überblick – Gallery-Walk H C Material Thema und Materialbedarf M 6 (Ab) Weltraumbeobachtung aus der Erdumlaufbahn * ein Plakat/Papier in A2 oder A1 M 7 (Ab) mehrere Filzschreiber Weltraumbeobachtung aus der Wüste * S R ein Plakat/Papier in A2 oder A1 M 8 (Ab) Weltraumbeobachtung aus dem All * ein Plakat/Papier in A2 oder A1 M 9 (Ab) mehrere Filzschreiber mehrere Filzschreiber Weltraumbeobachtung aus der Stratosphäre * O V ein Plakat/Papier in A2 oder A1 mehrere Filzschreiber Stunden 7–12: Bau eines Teleskops Material Thema und Materialbedarf M 10 (Ab) · V: 120 min (einschließlich Einkauf) Teleskop selbst gebaut – das benötigst du!* M 11 (Ab) Teleskop selbst gebaut – der Objektivtubus M 12 (Ab) Teleskop selbst gebaut – das Plössl-Okular M 13 (Ab) Teleskop selbst gebaut – die Plössl-Okularhalterung M 14 (Ab) Teleskop selbst gebaut – der Okulartubus M 15 (Ab) Erweiterung des Teleskops – der Sonnenfilter * AstroMedia-Bausatz HT-Muffenstopfen HT-Rohr mit Steckmuffe HT-Überschiebemuffe · D: 270 min Kisten ø 40 mm ø 40 mm, Länge 500 mm ø 40 mm, Länge 100 mm schwarzer Karton BAADER Sonnenfilterfolie Gummi M 16 (Ab) Tipps und Tricks – so benutzt du ein Teleskop 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 zur Vollversion 10 von 32 M3 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) Erde und Weltraum Beitrag 4 VII Optische Linsen – Vergrößern und Verkleinern Weißt du, mit welcher Linse man vergrößern und mit welcher man verkleinern kann? Und wie kann man sie verbauen? Teil 2: Vergrößern und Verkleinern mithilfe von Linsen Betrachten durch die Sammellinse Betrachten durch die Zerstreuungslinse Je nach Entfernung vom Gegenstand zur Linse ist das reelle Bild größer, kleiner oder gleichgroß. Das Bild steht auf dem Kopf. S R Aufgabe 1 U A H C Es entsteht ein reelles Bild auf der gegenüberliegenden Seite der Linse, das du mithilfe eines Schirms sichtbar machen kannst. Da die Lichtstrahlen gestreut werden, entsteht kein reelles Bild, sondern nur ein virtuelles Bild. Du kannst es durch die Linse sehen, aber nicht auf dem Schirm festhalten. Eine Zerstreuungslinse wirkt immer verkleinernd und das Bild steht aufrecht. Wann wirkt eine Sammellinse vergrößernd, wann verkleinernd und wann bleibt das Bild gleichgroß? Vervollständige die Skizze mit verschiedenen Farben und finde es heraus. Aufgabe 2 O V Das Bild wird … vergrößert, wenn verkleinert, wenn bleibt gleichgroß, wenn Beschreibe den Strahlengang durch die Linsen. Welches Gerät könnte hier gemeint sein? 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 zur Vollversion VII Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) Erde und Weltraum Beitrag 4 13 von 32 Das Kepler-Fernrohr – Aufbau und Funktion M4 Wie ist eigentlich ein Linsenteleskop aufgebaut? Hier findest du heraus, aus welchen optischen Elementen ein Kepler-Teleskop (1611) besteht und welche Funktionen die einzelnen Bestandteile haben. Ein einfaches Linsenteleskop besteht aus drei optischen Elementen, die in Kombination weiterentfernteObjektefürdasAugevergrößern.DieseBestandteilesinddasObjektiv,derTubus und das Okular. Das Objektiv U A Der Tubus leitet das Licht vom Objektiv bis zum Okular weiter und ist von innen meist schwarz gefärbt und gerippt. Die dunkle Farbe und die raue Oberläche vermeiden Streulicht, damit das betrachtete Objekt scharf abgebildet wird. H C S R Querschnitt eines Kepler-Teleskops dient dazu, mit dem Auge das vergrößerte Bild des Objektivs zu betrachten. Es besteht dabei aus einer einzelnen Linse oder aus einem Linsensystem. Beim Kepler-Fernrohr nutzt man eine bikonvexe Sammellinse. Je nach Entfernung des Objekts wird mit dem Okular „scharfgestellt“, indem man es verschiebt und sich die Brennpunkte der Sammellinsen überlagern. Fotos: Thinkstock/iStock; Pinnwandzettel: Colourbox Das Okular ist das wichtigste Element eines Teleskops. Es besteht beim Kepler-Fernrohr aus genau einer bikonvexen Sammellinse und bündelt die einfallenden Lichtstrahlen im Brennpunkt. Der Brennpunkt ist von der jeweiligen Linse oder dem Spiegel abhängig und bestimmt die Vergrößerung des Fernglases. O V Aufgaben 1. Fülle die Lücken mithilfe der Texte auf den Pinnwandzetteln. 2. SkizzierediepassendenLinsenandiemarkiertenStellenfürdasObjektivunddasOkular. 3. Zeichne den Strahlengang des einfallenden Lichts durch die beiden Linsen bis zum Ende des Teleskops. 4. Erkläre anhand des Strahlengangs, ob man das Bild verkehrt herum sieht. 5. Die einfallenden Lichtstrahlen sind hier parallel eingezeichnet; kann das stimmen? Diskutiere mit deinem Nachbarn. Nutzt zur Hilfe das Physikbuch und erklärt eure Antwort. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 zur Vollversion 18 von 32 M7 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) Erde und Weltraum Beitrag 4 VII Weltraumbeobachtung aus der Wüste Die ESO (engl. European Southern Observatory), auch Europäische Südsternwarte genannt, ist die führende europäische Organisation für astronomische Forschung. Für das Jahr 2020 plant sie den Bau eines Großteleskops der 40-Meter-Klasse. Es soll das größte optische Teleskop der Welt werden! Das European Extremely Large Telescope – E-ELT U A Das E-ELT wird über mehrere Kameras verfügen, zwischen denen schnell gewechselt werden kann. Auch die Mechanik des Teleskops und der Kuppel ist so ausgelegt, dass binnen kürzester Zeit von einem Beobachtungsziel am Himmel auf ein anderes umgeschwenkt werden kann. H C Das E-ELT sucht ein Zuhause Im Oktober 2013 überreichte Sebastían Piñera, der Präsident Chiles, die unterzeichneten Dokumente zur Übergabe des Landes um den Cerro Armazones an die ESO. S R Dieser Berg liegt in der Atacama-Wüste etwa 130 km südlich der Stadt Antofagasta. Hier hat das Teleskop in einer Höhe von 2400 m über dem Meeresspiegel sein Zuhause gefunden. O V Forschungsziele in der Zukunft Eines der ehrgeizigsten Ziele der beobachtenden Astronomie ist der erste Nachweis eines erdähnlichen Planeten, auf dem sich Leben bilden könnte. Dies ist nur in der habitablen Zone um einen Stern möglich, wo es weder zu kalt noch zu warm für Lebewesen wird. Pinnwandzettel: Colourbox Mit einem Hauptspiegeldurchmesser von 39,3 Metern wird das E-ELT vier- bis fünfmal größer als heutige Spitzenteleskope. Ein so großer Spiegel kann nicht in einem Stück gefertigt werden. Stattdessen wird er aus rund 1000 sechseckigen Segmenten zusammengesetzt. Digitales Modell: ESO/L. Calçada Das E-ELT wird ein vielseitiges Großteleskop für das sichtbare Licht und das nahe Infrarot. Darüber hinaus soll das E-ELT die Eigenschaften der ersten Sterne und Galaxien, der Dunklen Materie und der Dunklen Energie erforschen. Aufgabe Erstellt in eurer Gruppe ein Informationsplakat zum E-ELT. Stellt die Informationen auch mit eigenen Illustrationen oder Skizzen des Teleskops anschaulich dar. Beantwortet die Frage: „Wieso soll dieses riesige Teleskop fernab der Zivilisation in der Wüste stehen?“. Begründet eure Antworten und Vermutungen und schreibt sie mit auf das Plakat. Jedes Gruppenmitglied sollte das Plakat erklären können. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 zur Vollversion VII Erde und Weltraum Beitrag 4 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 21 von 32 Erläuterungen (M 6 bis M 9) Hier beschäftigen sich die Schüler in Gruppen mit vier großen Teleskopen und deren Einsatzorten, die sich voneinander unterscheiden. Im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen das Hubble-Weltraumteleskop (M 6), die Weltraumbeobachtung aus der Atacama-Wüste (M 7), das Gaia-Teleskop (M 8) und die fliegende Sternwarte SOFIA (M 9). Gleichzeitig wird die Fähigkeit, Grafiken oder Klimadiagramme zu interpretieren, gefördert. Ihre Schüler erstellen pro Gruppe ein Plakat, auf dem die Fakten und Vermutungen zum Einsatzort des Teleskops möglichst ansprechend dargestellt werden. Überprüfen Sie während der Gruppenarbeitsphase, ob alle wichtigen Informationen auf den Plakaten abgebildet sind. Geben Sie den Schülern Hilfestellungen und Tipps, die Sie den Lösungen zu den Materialien entnehmen können. Die Vorstellung der Ergebnisse findet als Gallery-Walk statt. Der Gallery-Walk U A Phase 1 Teilen Sie die Klassesoauf,dassjedesdervierMaterialiengleichoftvergebenist. Optimal sind bei diesem Gallery-Walk Vierergruppen. Phase 2 Jede Gruppe erstellt ein Plakat zu einem der vier Teleskope, auf dem es möglichst anschaulich das Teleskop erklärt und dessen Einsatzort begründet. Phase 3 Hängen Sie die Plakate gut zugänglich und verteilt im Klassenzimmer auf. H C Phase 4 Die Gruppen werden neu eingeteilt, sodass jedes Teleskop mindestens einmal in der Gruppe vertreten ist. Die Summe der Gruppen bleibt dabei gleich. Phase 5 Die Gruppen verteilen sich auf die Plakate, sodass immer einer in der Gruppe ist, der zum Plakat gehört. Geben Sie den Schülern 5 Minuten Zeit, um das Plakat der Gruppe vorzustellen. Dies geschieht an allen Plakaten gleichzeitig. S R Phase 6 Nach der ersten Teleskopvorstellung läuft die Gruppe weiter zum nächsten Plakat, zu dem einer aus der Gruppe gehört. Dieser stellt es der Gruppe vor. Der Gallery-Walk ist nach vier Runden beendet. Zum Abschluss bewerten die Schüler die Plakate im Plenum und lassen die ansprechendsten Plakate in der Klasse hängen. Zur Ergebnissicherung sammeln Sie die Teleskope (E-ELT, SOFIA, Hubble, Gaia) und die Vorteile der Standorte (Wüste, Atmosphäre, Erdumlaufbahn, Lagrange-Punkt) an der Tafel und klären dabei die letzten Fragen. O V Tipp Als Alternative eignet sich eine klassische Gruppenarbeit. Dazu finden Sie auf der CD die einzelnen Bilder (M 6_M 9.ppt) zu den Materialien. Bei einer Präsentation der Ergebnisse können die Gruppen die Bilder zur Erklärung nutzen. Lösungen (M 6) Wichtige Informationen, die Ihre Schüler auf den Plakaten festhalten sollten: Leitende Organisationen Missionsstart Größe des Teleskops Art des Teleskops Einsatzort Missionsergebnisse ESA und NASA 1990, wobei Messungen erst ab 1993 möglich wurden 13 m lang, 12 m breit und 12 t schwer Spiegelteleskop à misst Licht und Wärmestrahlung eine 600 km entfernte Erdumlaufbahn, 95 Minuten Umlaufzeit Nachweis Schwarzer Löcher, Sternentstehung, „UltrazoomBild des Universums“, sodass 10 000 Galaxien zu sehen sind Gründe und Vermutungen für den Einsatzort: Mit dem Hubble-Weltraumteleskop umgeht man das in Erdoberflächennähe störende Streulicht von Siedlungen. In den Luftschichten wird die Strahlung durch Moleküle abgelenkt, sodass sie die Erdoberfläche nicht erreicht. Da das Teleskop um die Erde kreist, kann so das gesamte Universum beobachtet werden und nicht nur eine Halbkugel. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 zur Vollversion
