Wie man einen Stern auf die Waage legt - School
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Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Wie man einen Stern auf die Waage legt Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de 3. Stellare Zustandsgrößen bestimmen 1 von 24 Wie man einen Stern auf die Waage legt – stellare Zustandsgrößen bestimmen (Teil I) Stefan Völker, Jena In diesem Beitrag lernen Ihre Schüler, aus beobachtbaren Größen die physikalischen Eigenschaften (Zustandsgrößen) von Sternen zu ermitteln. Dabei liegt der Fokus auf Hauptreihensternen1 (Teil I). Die systematische Ordnung der Ergebnisse in einem Hertzsprung-Russell-Diagramm zeigt, dass neben den Hauptreihensternen auch weitere Entwicklungsstadien der Sterne existieren, und vervollständigt so das Bild (Teil II). Masse, Radius, Temperatur und Leuchtkraft der Sterne bestimmen! II/H Der Beitrag im Überblick Klasse: 12 Dauer: ca. 6 Stunden Ihr Plus: üMaterialien mit authentischen astronomischen Beobachtungsdaten üSelbstständiges Arbeiten der Schüler Inhalt: Stellare Zustandsgrößen: – Masse, – Radius, – Temperatur (Spektraltyp) und – Leuchtkraft 1 Die Hauptreihe wird in der Astronomie durch die Sterne gebildet, die ihre Strahlungsenergie durch Wasserstoffbrennen im Kern freisetzen. 37 RAAbits Physik November 2014 3. Stellare Zustandsgrößen bestimmen 2 von 24 Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Der gestirnte Nachthimmel fasziniert die Menschen seit Tausenden von Jahren wegen seiner Schönheit. Und er interessiert sie seit jeher als Forschungsobjekt. Während zu Beginn nur Position, Bewegung und Helligkeit der Himmelsobjekte beobachtet werden konnten, ist seit Mitte des 19. Jahrhunderts zusätzlich auch die Entfernung von Sternen messbar. In dieser Zeit legten R. Bunsen und G. Kirchhoff mit der Spektralanalyse den Grundstein der modernen Astrophysik. Seitdem können die physikalischen Eigenschaften von Sternen erforscht werden. Die Kombination präziser astronomischer Beobachtungen mit physikalischen Theorien ermöglicht es uns heute, Sterne als komplexe Fusionsreaktoren zu verstehen und ihre beobachtbaren Eigenschaften physikalisch zu beschreiben. Stellare Zustandsgrößen sind: Masse, Radius, Temperatur bzw. Spektraltyp und Leuchtkraft. Diese Größen bestimmen Ihre Schüler selbstständig aus Beobachtungsdaten. Das Material beschränkt sich auf Hauptreihensterne2. Am Ende der Unterrichtseinheit bieten sich viele Möglichkeiten an, zur Sternentwicklung überzuleiten. Wie – das lesen Sie im Folgebeitrag „Wie lange lebt ein Stern? – Mit dem Hertzsprung-Russell-Diagramm die Sternentwicklung untersuchen“ (Ergänzungslieferung 40 (August 2015)). Lehrplanbezug a) Bayern, Klasse 12, Lehrplanalternative Astrophysik 12.4 Stern: – Zustandsgrößen von Sternen (m, M, m–M (Entfernungsmodul), L, T, R, Masse) – Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) –Sternentwicklung b) Baden-Württemberg, 12, Wahlfach Astronomie 4. Fixsterne – Bestimmung der physikalischen Eigenschaften von Fixsternen II/H – Mit einem Zustandsdiagramm arbeiten à HRD – Zeitliche Entwicklung eines Sterns Bezug zu den Bildungsstandards der Kultusministerkonferenz Allg. physikalische Kompetenz Inhaltsbezogene Kompetenzen Die Schüler … Anforderungsbereich F 1, F 2, E 1, E 2, K 1, K 2, K 6 … lernen am Beispiel der stellaren Zustandsgrößen, astronomische Phänomene richtig zu beschreiben und anderen zu vermitteln, I, II F 1, F 2, F 3, E 4, E 5, E 7, E 9, K 1, K 3, K 5, K 7 … lernen die Bestimmung einer der Zustandsgrößen (Masse, Radius, Temperatur bzw. Spektraltyp oder Leuchtkraft) aus authentischen Beobachtungsdaten (M 3–M 6), I, II F 1, F 3, F 4, E 4 … lernen die Anwendung mathematischer Verfahren (Aufstellen und Lösen linearer Gleichungssysteme; lineare Regression) im astronomischen Kontext (M 3, M 4). II, III Für welche Kompetenzen und Anforderungsbereiche die Abkürzungen stehen, finden Sie auf der beiliegenden CD-ROM 37. Die Hauptreihe wird in der Astronomie durch die Sterne gebildet, die ihre Strahlungsenergie durch Wasserstoffbrennen im Kern freisetzen. 2 37 RAAbits Physik November 2014 3. Stellare Zustandsgrößen bestimmen 3 von 24 Fachliche Voraussetzungen: – Physik: Das Bohr’sche Atommodell und die Interpretation von Linienspektren. – Astronomie: Die Entfernungsbestimmung mittels trigonometrischer Fixsternparallaxe und das Magnitudensystem der scheinbaren und absoluten Helligkeit. – Mathematik: Das Lösen linearer Gleichungssysteme, Logarithmen- und Potenz-Gesetze. Mediathek Für Lehrer Kippenhahn, Rudolf: Vom Lebenslauf der Sterne. Nova Acta Leopoldina (1984) Nummer 260, Band 57 Schwarz, Oliver: Das HRD – Erkundungen im Unterricht. Astronomie + Raumfahrt 50 (2013) 3–4. S. 6–10 De Boer, Klaas S.: Das Hertzsprung-Russell-Diagramm und das Maß der Sterne. Astronomie + Raumfahrt 38 (2001) 6. S. 18–22 Kuhn, Wilfried (Hrsg.): Handbuch der experimentellen Physik Sek II – Astronomie, Astrophysik, Kosmologie. Aulis Verlag. Köln 2011, S. 176–190 Karttunen, Hannu u. a.: Astronomie – Eine Einführung. Springer-Verlag. Berlin 1990. S. 233–259 Für Schüler Hermann, Dieter B., Schwarz, O.: Astronomie – Basiswissen Schule. Duden PAETEC. Berlin 2001. S. 156–175 Grehn, Joachim; Krause, J.: Metzler Physik. 4. Auflage. Schroedel Verlag. Braunschweig 2007. S. 546–551 Internet-Adressen LEIFI-Physik bietet gute Hintergrundinformationen in den Themenbereichen „Sonne“ und „Fixsterne“: http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/sonne http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/fixsterne Animationen (in Englisch): Photometrische Doppelsterne: http://astro.unl.edu/naap/ebs/ebs.html Strahlung schwarzer Körper: http://astro.unl.edu/naap/blackbody/blackbody.html Software Stellarium: kostenlose Planetariums-Software; erhältlich unter: www.stellarium.org Fordern Sie Ihre Schüler auf, die hier besprochenen Sterne bzw. die Sternbilder, in denen sich diese befinden, am Nachthimmel zu suchen. Die Sichtbarkeit eines Objekts lässt sich schnell und einfach mit der Software „Stellarium“ ermitteln. Stellen Sie dazu Ihren Standort ein und geben Sie im Suchfeld den Namen des Sterns ein. Nun können Sie erkunden, wann das Objekt wo am Himmel auf- und untergeht und ob es überhaupt von der Nordhalbkugel aus zu beobachten ist. Quellenangaben: siehe CD-ROM 37 37 RAAbits Physik November 2014 II/H 3. Stellare Zustandsgrößen bestimmen 4 von 24 Materialübersicht ·V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt ·D = Durchführungszeit Fo = Folie LEK = Lernerfolgskontrolle WH = Wiederholungsblatt M1 WH Astronomische Grundlagen – frischen Sie Ihr Wissen auf! M2 Ab Stammgruppe: Die Zustandsgrößen von Sternen bestimmen M3 Ab / SV Expertengruppe I: Die Masse eines Sterns · V: 5 min · D: 90 min M4 M5 Ab Expertengruppe II: Der Radius eines Sterns · D: 90 min rTaschenrechner rLineal Ab / SV Expertengruppe III: Temperatur und Spektraltyp eines Sterns · V: 10 min rHg-Dampflampe rNa-Dampflampe rKartuschenbrenner rKochsalz (NaCl) r2 Projektionsschirme rSpatel o. Ä. · D: 90 min II/H M6 rTaschenrechner rLineal rHolzstab (l = 1 m, d = 1 cm) rRingförmige Massestücke, z. B. vom Reifen-Walzen-Apparat (2 x 50 g, 1 x 125 g, 1 x 250 g, 1 x 500 g) Eventuell: Knete + Stativstab mit Fuß Ab / SV Expertengruppe IV: Die Leuchtkraft eines Sterns · V: 10 min rCAS-Rechner mit Messwerterfassungsmodul und optischer Sonde rStativfuß, kurze Stativstange und Kreuzmuffe rGlühlampe (6 V / 0,4 A) mit Spannungsquelle rMessschieber rSchuhkarton · D: 90 min Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 17. Die Materialen M 2–M 6 sind Bestandteil eines Gruppenpuzzles. Minimalplan Verzichten Sie auf Durchführung des Gruppenpuzzles. Bestimmen Sie gemeinsam mit Ihrer Klasse nur eine Zustandsgröße eines Sterns. 37 RAAbits Physik November 2014 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Wie man einen Stern auf die Waage legt Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de
