Metzler Physik 12
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Joachim Grehn – Joachim Krause Metzler Physik 12 Astrophysik Ausgabe Bayern Dr. Sylvia Becker, Florian Bell Joachim Grehn, Dr. Andreas Kratzer Joachim Krause, Gottfried Wolfermann, Ralph Zierke Schroedel Metzler Physik 12 Astrophysik Ausgabe Bayern herausgegeben von Joachim Grehn und Joachim Krause bearbeitet von Dr. Sylvia Becker, Niederroth Joachim Grehn, Kiel Dr. Andreas Kratzer, München Joachim Krause, Neumünster Ralph Zierke, Planegg unter Mitarbeit von Florian Bell, München Gottfried Wolfermann, Schwabach © 2012 Bildungshaus Schulbuchverlage Westermann Schroedel Diesterweg Schöningh Winklers GmbH, Braunschweig www.schroedel.de Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages. Hinweis zu § 52 a UrhG: Weder das Werk noch seine Teile ­dürfen ohne eine solche Einwilligung gescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von ­Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Druck A 1 / Jahr 2012 Alle Drucke der Serie A sind inhaltlich unverändert. Redaktion: Bernd Trambauer Fotos: Michael Fabian, Hans Tegen Grafik: New Vision, Bernhard Peter; Birgit Schlierf; 2&3d. design, R. Diener, W. Gluszak; take five, J. Seifried Computergrafik: Dr. Joachim Bolz; Joachim Krause; Dr. Monika Scholz-Zemann; Dr. Heiner Schwarze Umschlaggestaltung: Janssen Kahlert Design & Kommunikation GmbH, Hannover Satz: Cross Media Solutions GmbH, Würzburg Druck und Bindung: westermann druck GmbH, Braunschweig ISBN 978-3-507-10703-8 Vorwort Liebe Schülerin, lieber Schüler! Der gestirnte Himmel über uns hat seit jeher die Phantasie der Menschheit beschäftigt. Schon die frühen Hochkulturen machten sich Vorstellungen über den Himmel und die Gestirne. Eine der ältesten Wissenschaften ist die Astronomie, die die Bewegung der Planeten, der Sonne und der Sterne beschreibt. Ein Kind der Neuzeit ist die Astrophysik, die nach Erklärungen und Begründungen sucht. Welches großartige Bild heute die Astrophysik vom Universum entwickelt hat und auf welche Weise diese junge Wissenschaft zu ihren Erkenntnissen gekommen ist, das alles werden Sie in diesem Band „Astrophysik“ kennen und verstehen lernen. Die Astrophysik ist ein faszinierendes Gebiet angewandter physikalischer Forschung, bei der Kenntnisse und Methoden aus nahezu allen Bereichen der klassischen und der ­modernen Physik benötigt werden. Sie verbindet ihre zum Teil spektakulären Beobachtungen mit physikalischen Deutungen und Erklärungen. Auf dem Weg zum besseren Verständnis des Universums und seiner Bestandteile werden Sie Einblicke in wesentliche Mess- und Auswertetechniken erhalten. Sie werden feststellen, dass in der Astrophysik ein breites Spektrum an physikalischen Disziplinen von der Mechanik über die Wärmelehre, die Elektrodynamik, die Atom- und Kernphysik bis hin zur Speziellen und Allgemeinen ­Relativitätstheorie zur Erklärung der Beobachtungen heran­gezogen werden. Beeindruckend ist dabei die Tatsache, dass die Information über die meisten astronomischen Objekte nur in dem Licht bzw. der elektromagnetischen Strahlung zu finden ist, die das Objekt aussendet. Trotz dieser massiven Einschränkung der experimentellen Möglichkeiten ist die Astrophysik eine der lebendigsten Naturwissenschaften und fördert ständig neue, interessante Ergebnisse zu Tage. Gerade in den letzten Jahrzehnten befindet sich die Astrophysik in einer stürmischen Entwicklung, in der fast täglich neue Erkenntnisse über das Weltall, über das Sonnensystem, über Sterne und über Galaxien, über ihr Entstehen und Vergehen, auftauchen, was unser Bild über das Universum, in das wir auf der Erde eingebettet sind, ausbaut und erweitert. Dies Lehrbuch zur Astrophysik soll Ihnen für Ihren Unterricht zum Nacharbeiten und Vertiefen, als Anregung und Vorbereitung oder zu seiner Ergänzung dienen und Ihnen so ein verlässlicher und hilfreicher Begleiter sein. Wir wünschen Ihnen dabei Freude und Gewinn. Zu diesem Buch Das vorliegende Buch ist Teil des dreibändigen Unterrichtswerks „Metzler Physik Ausgabe Bayern“ für die Oberstufe des Gymnasiums. Das Unterrichtswerk umfasst die den verschiedenen Teilgebieten der Physik gewidmeten Bände für die 11. und 12. Jahrgangsstufe sowie einen Band „Astrophysik“ für die 12. Jahrgangsstufe. Kennzeichen auch dieses Bandes der „Metzler Physik Aus­ gabe Bayern“, die sich streng an den bayerischen Lehrplan hält, ist die an einer sorgfältigen Erarbeitung der Grundlagen orientierte Konzeption, unterstützt – wenn möglich – durch ausgewählte Experimente. Besonderer Wert ist auf die exakte Definition der in der Astrophysik verwendeten Begriffe gelegt. Damit wird auch in diesem Band auf eine der wesentlichen Schwierigkeiten im Physikunterricht reagiert, dass sich nämlich Schülerinnen und Schüler häufig nicht im ­Klaren über die Bedeutung physikalischer Begriffsbildungen sind. Jedem Kapitel ist eine Einführung vorangestellt, die dem Leser einen Überblick über das folgende Kapitel bietet. Jedes der folgenden Unterkapitel behandelt in abgeschlossener Form ein Thema. Die verbindlichen Inhalte des bayerischen Lehrplans sind in größerer Schrift gesetzt. Definitionen, Begriffsbildungen und Gesetze sind mit einem grünen Balken an der Seite versehen. Weiterführende Erörterungen und Ergänzungen erscheinen in kleinerer Schrift und grüner Punktung am Rand. Durch grüne Umrandung sind neueste Ergebnisse aus der astrophysikalischen Forschung als Exkurse vom verbindlichen Sachtext abgehoben; sie lassen den Leser teilnehmen an der Erweiterung aktueller astrophysikalischer Erkenntnisse. Praktika bieten Untersuchungen spezieller Fragen. Am Schluss eines Kapitels wird das Grundwissen zusammengefasst, das im folgenden Wissenstest überprüft werden kann. Musteraufgaben mit Lösungen und vernetzende Aufgaben, die Kenntnisse aus verschiedenen Kapiteln des Buches vereinigen und auf das Abitur vorbereiten, stehen am Ende des Buches. Dank gilt dem Verlag für die intensive Betreuung und die hervorragende Ausstattung des Werkes. Dank gilt ebenso ­allen, die mit Rat und Auskunft geholfen haben. München im Winter 2011 Joachim Grehn und Joachim Krause 3 Inhaltsverzeichnis 1 Orientierung am Himmel 1.1 Die Beobachtung des Sternenhimmels8 1.1.1 Sternbilder 8 1.1.2 Astronomische Objekte 10 1.1.3 Astronomische Größenordnungen 12 Methode: Computer-Planetarium 13 Methode: Drehbare Sternkarte und Koordinatensysteme15 1.2.2Bewegung der Planeten vor dem Fixsternhimmel16 Exkurs: Optische Teleskope 18 1.2 Die Bewegung der Himmelskörper14 1.2.1Die scheinbare Bewegung der Sterne und Planeten 14 Praktikum: Orientierung am Himmel 20 Grundwissen21 Wissenstest21 2 Das Sonnensystem 2.1Massen und Bahnparameter im Sonnensystem24 2.1.1 Gravitation 24 Methode: Iterative Berechnung einer Satellitenbahn 25 2.1.2 Bewegungen im Gravitationsfeld 26 Exkurs: Satelliten und Raumsonden 28 2.1.3 Astronomische Massenbestimmung 30 2.1.4 Vertiefung: Messung wichtiger Bahnparamater 31 2.2 2.2.1 2.2.2 Himmelskörper im Sonnensystem32 Planeten und ihre Monde 32 Zwergplaneten und Asteroiden 33 Die Sonne 3 3.1 Das Spektrum der Sonne44 3.1.1 Linienspektren 44 3.1.2 Photonen 44 3.1.3Die quantenhafte Absorption 46 3.1.4 Eigenschaften der Spektrallinien 48 Exkurs: Geschichte der Spektroskopie 50 3.2Energieabstrahlung der Sonne52 3.2.1 Solarkonstante und Leuchtkraft 52 3.2.2 Die Strahlungsgesetze 53 Exkurs: Farbsehen und Lichttechnik 55 3.3 Energieerzeugung im Sonneninneren56 3.3.1Aufbau der Atomkerne 56 3.3.2 Massendefekt und Kernbindungsenergie 56 3.3.3 Kernfusion im Sonneninneren 58 Exkurs: Das Geheimnis der solaren Neutrinos 60 4 Exkurs: Besondere Eigenschaften der Planeten des Sonnensystems 2.2.3 Kometen 2.2.4 Meteorite Exkurs: Kometen- und Meteoriteneinschläge Exkurs: Messverfahren zur Untersuchung von Planeten 34 36 37 38 40 Grundwissen41 Wissenstest41 3.4Aufbau der Sonne und Energietransport vom Inneren zur Oberfläche62 3.4.1 Zustand der Sonnenmaterie 62 3.4.2 Der innere Aufbau 63 3.4.3 Die äußeren Schichten 64 Exkurs: Doppler-Spektroheliogramme65 Exkurs: Sonnenbeobachtung67 3.5Aktivitätserscheinungen der Sonne68 3.5.1 Sonnenflecken 68 Exkurs: Messung solarer Magnetfelder 70 3.5.2Weitere Phänomene 70 3.5.3Solar-terrestrische Beziehungen 72 Exkurs: Space Weather73 Exkurs: Helioseismologie 74 Praktikum: Bestimmung der Rotation der Sonne 75 Grundwissen76 Wissenstest77 Inhaltsverzeichnis 4Sterne 4.1Entfernungsbestimmung und Bewegung von Sternen80 4.1.1 Jährliche trigonometrische Parallaxe 80 4.1.2 Radial- und Tangentialbewegung der Sterne 80 4.1.3 Nachweis von Exoplaneten 82 Exkurs: Weitere Methoden zum Auffinden von Exoplaneten 83 4.2Zustandsgrößen von Sternen84 4.2.1 Die Helligkeit von Sternen 84 Vertiefung: Weitere Helligkeitsdefinitionen 85 4.2.2 Leuchtkraft und Oberflächentemperatur 86 4.2.3 Sternradien 88 Vertiefung: Weitere Verfahren 89 4.2.4 Sternmassen90 Vertiefung: Gravitationslinsen91 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 4.3Das Hertzsprung-Russel-Diagramm92 4.3.1 Systematik der Einordnung von Sternen 92 4.3.2 Das Hertzsprung-Russel-Diagramm 94 4.3.3HRD für Sternhaufen – Entfernungsbestimmung96 Exkurs: Typen von HRD 97 4.4Entwicklung der Sterne98 4.4.1 Sternentstehung98 4.4.2 Das Hauptreihenstadium 100 4.4.3 Endstadien der Sternentwicklung 102 Exkurs: Elemententstehung106 Praktikum: Sterne107 Grundwissen108 Wissenstest109 Großstrukturen im Weltall Die Milchstraße112 Die Struktur der Milchstraße 112 Rotation und Masse der Milchstraße 114 Exkurs: Interstellare Materie 115 Das galaktische Zentrum 116 5.2Galaxien118 5.2.1 Klassifikation von Galaxien 119 5.2.2 Galaxien und ihre Verteilung im Raum 120 Exkurs: Radioastronomie121 5.2.3 Schwarze Löcher 122 123 5.2.4 Aktive galaktische Kerne 5.2.5 Dunkle Materie 124 5.3 Entfernungsbestimmung und Kosmologie126 5.3.1 Die Cepheiden-Methode 126 5.3.2 Die Supernova-Methode 128 5.3.3 Das Hubble-Gesetz 129 5.3.4 Die Expansion des Universums 130 5.3.5 Dunkle Energie 131 5.3.6 Die kosmische Hintergrundstrahlung 132 5.3.7 Das kosmologische Standardmodell 133 Exkurs: Kataloge: Messier, NGC und IC 134 Praktikum: Das Schwarze Loch im Zentrum der Milchstraße 135 Grundwissen136 Wissenstest137 6Anhang Musteraufgaben mit Lösungen138 Vernetzende Aufgaben141 Einführung in die Praktika146 Astronomische Daten, Planetensystem Spektraltafel Physikalische Konstanten Orientierung am Himmel Nördlicher Sternenhimmel Südlicher Sternenhimmel Sachverzeichnis Namenverzeichnis Bildquellenverzeichnis 150 151 151 152 154 155 156 157 158 5
