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4. Die Entwicklung eines Sterns 1 von 16 Wie lange lebt er? Mit dem HRD die Sternentwicklung untersuchen © Courtesy of NASA/SDO and the AIA, EVE and HMI science teams Stefan Völker, Jena In Beitrag II/H, Reihe 3 haben Ihre Schüler gelernt, aus beobachtbaren Größen die physikalischen Eigenschaften (Zustandsgrößen) von Sternen zu ermitteln. Dabei lag der Fokus auf Hauptreihensternen1. 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. Hier lernen Ihre Schüler, wie man mit Wissen von den allerkleinsten physikalischen Objekten Vorhersagen über die Physik der Sterne machen kann. Denn die Kernphysik bestimmt z. B. über die Lebensdauer eines Sterns. T H C I S N A R O V Der 1. Schritt von H zu He: Zwei Protonen verschmelzen zu einem Deuteriumkern. „Je größer die Masse, umso geringer die Lebenserwartung!“2 II/H Der Beitrag im Überblick Klasse: 12 Inhalt: Dauer: • Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) ca. 3 Stunden Ihr Plus: • Lebensdauer eines Sterns üMaterialien mit authentischen astronomischen Beobachtungsdaten • Empirische Masse-LeuchtkraftBeziehung üFlexibel einsetzbarer Folienvorlagensatz zum Hertzsprung-RussellDiagramm (M 2) 1 vgl. M 4, Aufgabe 1 2 Zitat nach Rudolf Kippenhahn (siehe Mediathek) Voraussetzung: • II/H Reihe 3 „Wie man einen Stern auf die Waage legt – stellare Zustandsgrößen bestimmen“ auf CD-ROM 40 40 RAAbits Physik August 2015 4. Die Entwicklung eines Sterns 2 von 16 Materialübersicht · V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch · D = Durchführungszeit UG = Unterrichtsgespräch LEK = Lernerfolgskontrolle Fo = Folienvorlage M1 M2 M3 M4 Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt Ab / UG Alltagsbeispiel – das Hertzsprung-Russell-Diagramm einführen · D: 45 min rFolie Fo Das Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD) · D: 45 min rFolie rSchere rFolienstift Ab Die Lebensdauer eines Sterns · D: 45 min rLineal rTaschenrechner LEK Sind Sie fit? – Testen Sie Ihr Wissen! · D: 45 min rTaschenrechner T H C I S N Die Erläuterungen und Lösungen zu den Materialien finden Sie ab Seite 9. A R O Anmerkung II/H Der Teil I (II/H, Reihe 3) des Beitrages mit einem Gruppenpuzzle zur Bestimmung der Zustandsgrößen eines Sterns (Masse, Radius, Temperatur, Spektraltyp, Leuchtkraft) ist im EL 37, Nov. 2014 erschienen. Wenn Sie RAAbits Physik zu diesem Zeitpunkt noch nicht bezogen haben, finden Sie diesen Teil I im PDF-Format auf CD-ROM 40. V Die Lernerfolgskontrolle enthält Aufgaben, deren Beantwortung Wissen aus beiden Teilen voraussetzt. Auf CD-ROM 40 finden Sie außerdem ein umfangreiches Quellenverzeichnis. Die Mediathek ist nur in Teil I enthalten, darin finden Sie auch Anregungen für Teil II. 40 RAAbits Physik August 2015 4. Die Entwicklung eines Sterns 4 von 16 M2 Das Hertzsprung-Russell-Diagramm T H C I S N Folie 1: Sterne mit Entfernungen d < 32 pc, beobachtet mit dem Hipparchos-Satelliten [HIPPARCHOS]. Die Position der Sonne ist durch einen schwarzen Kreis und vier Striche gekennzeichnet. A R O II/H V Folie 2: Sterne mit Entfernungen 32 pc < d < 121 pc, beobachtet mit dem Hipparchos-Satelliten [HIPPARCHOS] 40 RAAbits Physik August 2015 4. Die Entwicklung eines Sterns 5 von 16 T H C Folie 3: Systematische Einteilung in Hauptreihensterne, Riesensterne und Weiße Zwerge. Weiterhin sind Linien gleichen Radiusses eingezeichnet. I S N A R O V Folie 4: Linke Punktwolke: die beiden offenen Sternhaufen h + X Persei [Slesnick2002]; rechte Punktwolke: der Kugelsternhaufen 47 Tuc [Phillip1976]; in Schwarz ist der Entwicklungsweg der Sonne in der Nachhauptreihenphase angedeutet; Einteilung der Hauptreihe in Massenbereiche. 40 RAAbits Physik August 2015 II/H 4. Die Entwicklung eines Sterns 8 von 16 M4 Sind Sie fit? – Testen Sie Ihr Wissen! Name: Datum: Aufgaben 1. Deinieren Sie: Was ist ein Hauptreihenstern? 2. Beschreiben Sie die Bestimmung von einer der Zustandsgrößen Masse, Radius, Temperatur oder Leuchtkraft eines Sterns. Nennen Sie die notwendigen Beobachtungsgrößen und erläutern Sie deren Auswertung. 3. Das Hertzsprung-Russell-Diagramm: Abbildung M 4-1 zeigt das HRD für Sterne der Milchstraße mit Entfernungen d < 121 pc. a) Zeichnen Sie in dieses Diagramm den Verlauf der Hauptreihe, das Gebiet der Riesensterne und das Gebiet der Weißen Zwerge ein. b) Zeichnen Sie in dieses Diagramm die Position der Sonne ein (Teff, = 5777 K). T H C c) Erklären Sie, warum Riesensterne im Vergleich zu Hauptreihensternen gleicher Temperatur deutlich größere Leuchtkräfte haben und warum Weiße Zwerge geringere Leuchtkräfte als Hauptreihensterne mit gleicher Temperatur haben. I S N 4. Der Stern Wega (α Lyr) ist der hellste Stern im Sternbild Leier. Seine Position im HRD ist in Abbildung M 4-1 eingezeichnet. a) Beschreiben Sie, wie es möglich ist, die Masse von Wega zu bestimmen, obwohl Wega kein Mitglied eines Doppelsternsystems ist. A R O b) Berechnen Sie die Masse von Wega in Einheiten der Sonnenmasse. II/H V Abbildung M 4-1: Hertzsprung-Russell-Diagramm mit Wega 40 RAAbits Physik August 2015 4. Die Entwicklung eines Sterns 9 von 16 Erläuterungen und Lösungen M1 Alltagsbeispiel – das Hertzsprung-Russell-Diagramm einführen Führen Sie Ihre Schüler im fragend-entwickelnden Unterrichtsgespräch zum HertzsprungRussell-Diagramm (HRD) und der Interpretation von Zustandsdiagrammen hin. Hinweise und Fragen zur Interpretation des Diagramms – Abbildung L 1-1 zeigt ein mögliches Zustandsdiagramm der Variante 2. Variante 1 entspricht einem Ausschnitt von ca. 150 cm bis 200 cm aus diesem Diagramm. – Falls Sie Variante 1 durchführen, achten Sie darauf, eventuelle Ausreißer in der Masse nicht in das Diagramm einzutragen, um Mobbing zu vermeiden. – Variante 2 ist zwar aufwendiger in der Durchführung, ermöglicht aber mehr Interpretationsmöglichkeiten. Falls Sie sich für diese entscheiden, lassen Sie Ihre Schüler rechtzeitig ihre Familien befragen, damit ausreichend Zeit bleibt, die Schüler die Messwerte in das Diagramm einzeichnen zu lassen. Falls Sie über Schulserver oder Ähnliches verfügen, lassen Sie die Schüler die Messwerte direkt in eine Excel-Tabelle eintragen und zeichnen Sie daraus ein Diagramm analog zu Abbildung M 1-1 bzw. L 1-1. T H C I S N A R O V Abbildung L 1-1: Ausgefülltes Zustandsdiagramm (iktive Werte) der beiden menschlichen Grundeigenschaften Masse und Körpergröße ? Sind die Punkte im Diagramm zufällig verteilt oder fallen Häufungsgebiete auf? üDie Punkte häufen sich entlang zweier Geraden mit unterschiedlichen Anstiegen. Bei großen Körpergrößen (> 150 cm) nimmt die Streuung der Werte zu. ? Wie lassen sich die Häufungsgebiete entlang von Geraden erklären? üMenschen sind von ihrem biologischen Aufbau sehr einheitlich. Der menschliche Körper besteht zu einem großen Prozentsatz aus Wasser. 40 RAAbits Physik August 2015 II/H
