Vom einfachen Fernrohr zum Hubble-Teleskop - School
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Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Vom einfachen Fernrohr zum Hubble-Teleskop Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de VII Erde und Weltraum Beitrag 4 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 1 von 32 Vom einfachen Fernrohr zum Hubble-Teleskop – Weltraumbeobachtung im Wandel Ein Beitrag von Thomas Rosenthal, Esslingen Illustrationen von Julia Lenzmann, Stuttgart Der Anblick der Sterne weckt schon seit mehreren Jahrtausenden das Interesse der Menschheit. Mit Galileo Galilei und Johannes Kepler machte die Beobachtung der Sterne mit dem Linsenteleskop einen großen technischen Fortschritt. Doch wie können Sie Ihren Schülern die Welt der Sterne und die Methoden der Weltraumbeobachtung näher bringen? Dazu gibt Ihnen diese Einheit rund um Teleskope zahlreiche Anregungen. Mit einfachen Materialien aus dem Baumarkt und einem Linsenset bauen Ihre Schüler ein eigenes Teleskop. Foto: www.astromedia.de Heutzutage ist die Weltraumbeobachtung mit ganz unterschiedlichen Teleskopen und von verschiedenen Beobachtungsorten auf der Erde und aus dem Weltall möglich. Neben Spiegel- und Radioteleskopen gewährt auch SOFIA, eine mit Teleskop ausgestattete Boeing 747, von der Stratosphäre aus Einblicke in die Welt der Sterne. Ein eigenes Teleskop muss nicht teuer sein. Lassen Sie Ihre Schüler eines selbst bauen. itung: Mit Bauanle chritt zum Schritt für S skop! eigenen Tele Das Wichtigste auf einen Blick Klassen: 8–10 Aus dem Inhalt: Dauer: 4–6 Stunden + 4–6 Stunden für Teleskopbau •WieverläuftderStrahlengangdurcheine konvexe und eine konkave Linse? Kompetenzen: Die Schüler … •Wie hat sich die Weltraumbeobachtung im Laufe der Zeit weiterentwickelt? •kennendieBegriffeOkular,Objektiv,konkav, konvex, Brennweite und Teleskop. •WiefunktionierteinTeleskop? •könnendenAufbauunddieFunktionsweise von Teleskopen beschreiben. •Welche verschiedenenTeleskope gibt es und wie sind sie aufgebaut? •können unterschiedliche Teleskope und verschiedene Beispiele der Weltraumbeobachtung von der Erde oder aus dem Weltraum beschreiben. •Welche Möglichkeiten der Weltraumbeobachtung mit Teleskopen gibt es? •WiekannmaneinTeleskopselbstbauen? •könnenauseinfachenMaterialieneinTeleskop mit einem Sonnenfilter bauen. Beteiligte Fächer: Physik Technik Geografie Anteil hoch mittel gering 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 2 von 32 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) 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. * 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. 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. Sammellinse und Zerstreuungslinse 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 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. 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. 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. 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. 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 4 von 32 Weltraumbeobachtung (Klassen 8–10) Erde und Weltraum Beitrag 4 VII In den sich anschließenden Doppelstunden bauen die Schüler ihr eigenes Teleskop (M 10–M 14), und wenn genug Zeit ist, auch einen Sonnenfilter (M 15). Dazu erhalten sie für jedesBauteildesTeleskopseinArbeitsblatt,dasmitFotosdenBaudesTeleskopsunterstützt. So bauen Ihre Schüler mithilfe der beiliegenden Anleitung das Teleskop eigenständig zusammen. Hierbei muss der Zeitbedarf dem Leistungsniveau der Klasse und der Ausstattung mit Werkzeugen angepasst werden. Es kann von etwa drei Doppelstunden ausgegangen werden. Voraussetzungen der Lerngruppe Für die Arbeit mit dieser Reihe ist das Interesse am Thema „Astronomie“ Voraussetzung. Vorkenntnisse sind im Themenbereich „Optik“ aus dem Physikunterricht erforderlich, werden jedochmitzweiArbeitsblätternwiederholtundgefestigt.ZusätzlichsolltendieSchülereinfache handwerkliche Fähigkeiten wie Sägen, Bohren und Kleben beherrschen. Hinweise und Tipps zum fächerübergreifenden Unterricht Das Thema ist besonders für Projekttage geeignet und lässt sich ebenso beim fächerübergreifenden Arbeiten verwenden, sodass aus dem Physikunterricht die optischen Grundlagen bereitgestellt werden. Die Einheit lässt sich einfach erweitern, indem zusätzliche Filter, ein Zenitspiegel oder eine Halterung für eine Webcam hinzugefügt werden. Tipps zur Differenzierung Lassen Sie bei den Arbeitsblättern leistungsstarke und leistungsschwache Schüler zusammenarbeiten, sodass sie sich gegenseitig unterstützen können. Sollten einzelne Schüler den Bau des Teleskops schneller abschließen, geben Sie ihnen den Arbeitsauftrag, eine Anleitung für ihre Mitschüler zum Bau eines passenden Sonnenfilters zu entwerfen. Diese Kompetenzen trainieren Ihre Schüler Die Schüler ... • könnenStrahlengängedurchLinsenzeichnen. • kennendievergrößerndeundverkleinerndeWirkungvonkonkavenundkonvexenLinsen. • kennendieBegriffeOkular,Objektiv,konkav,konvex,BrennweiteundTeleskop. • k önnen die Bedeutung astronomischer Beobachtungen für die Erkenntnisgewinnung in der Astronomie einschätzen. • k önnenunterschiedlicheTeleskopeundverschiedeneBeispielederWeltraumbeobachtung von der Erde aus und aus Umlaufbahnen um die Erde beschreiben. • könnendenverschiedenenStrahlungsartengeeigneteBeobachtungsgerätezuordnen. • könnenauseinfachenMaterialieneinTeleskopmitSonnenilterbauen. • k önnen astronomische Beobachtungen unter Einsatz geeigneter Beobachtungstechnik durchführen und diskutieren. 12 RAAbits Naturwissenschaften November 2014 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Vom einfachen Fernrohr zum Hubble-Teleskop Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de
