Lehrermaterial Physik 10 duden paetec

Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1
Hinweise zur Arbeit mit diesem Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2
Übersicht über den Physikunterricht der Klassen 6 –10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 10 Gymnasium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung . . . . . . . . . . . . . . .
4.1
Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen . . . . . . . . . . .
4.1.1 Mechanische Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2 Mechanische Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Die Himmelskörper und ihre Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2 Bewegung und Ordnung im Kosmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.3 Methoden der astronomischen Erkenntnisgewinnung . . . . . . . . . . . .
4.3
Lernbereich 3: Licht als Strahl und Welle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.4
Lernbereich 4: Hertzsche Wellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.5
Lernbereich 5: Physikalisches Praktikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Hinweise zu den Experimenten und Beobachtungen des Lehrbuchs . . . . . . . . 75
6
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
7
Lösungen der Aufgaben des Arbeitshefts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
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Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrermaterial
1
Hinweise zur Arbeit mit dem Lehrermaterial
Die folgenden Empfehlungen und Materialien für den Physikunterricht der Klasse 10 sollen dem Lehrer Anregungen
für seinen Unterricht geben und ihm eine rationelle Unterrichtsvorbereitung und -durchführung ermöglichen.
Die Empfehlungen und Materialien sind abgestimmt mit dem
− Lehrbuch Level Physik, Klasse 10, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag
ISBN 978-3-89818-352-9
− Arbeitsheft Level Physik, Klasse 10, SN G, DUDEN PAETEC Schulbuchverlag
ISBN 978-3-89818-353-6
Als Nachschlagewerke für die gesamte Sekundarstufe I sind zu empfehlen:
− Basiswissen Schule Physik. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag.
ISBN 978-3-89818-012-2
− Schülerduden Physik. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag.
ISBN 978-3-411-05376-6
− Formelsammlung bis Klasse 10. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag.
ISBN 978-3-89818-710-7 (Festeinband mit CD-ROM) oder
ISBN 978-3-89818-715-2 (Broschur)
− Formelsammlung bis zum Abitur Formeln, Tabellen, Daten (einschließlich CD-ROM)
ISBN 978-3-89818-700-8
− Formeln und Tabellen für die Sekundarstufe I und II
ISBN 978-3-89517-253-3 (Festeinband) oder ISBN 978-3-89517-624-1 (Festeinband mit CD-ROM)
Darüber hinaus sind folgende Lehrermaterialien für die Sekundarstufe I zu empfehlen:
− Kopiervorlagen Physik Sekundarstufe I
ISBN 978-3-89517-328-8 (Print) oder ISBN 978-3-89517-329-5 (CD-ROM)
− Experimentieranleitungen Physik Sekundarstufe I
ISBN 978-3-89517-740-8 (Print) oder ISBN 978-3-89517-768-2 (CD-ROM)
Über das gesamte Angebot des DUDEN PAETEC Schulbuchverlages können Sie sich im Internet unter folgender Adresse
informieren:
http://www.duden-paetec.de
Nachschlagewerke für die Schüler sind zu finden unter
http://www.schuelerlexikon.de
Das vorliegende Material enthält:
− eine Übersicht über den Physikunterricht in der Sekundarstufe I,
− einen Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan,
− konkrete Unterrichtsmaterialien (Tafelbilder, Kopiervorlagen, Arbeitsblätter, Experimente, Projekte),
− Hinweise zu den Experimenten und Beobachtungen des Lehrbuchs,
− die ausführlichen Lösungen aller Aufgaben des Lehrbuchs,
− die Lösungen aller Aufgaben des Arbeitshefts.
Das gesamte Material ist so gestaltet, dass es der Lehrer entsprechend seiner Erfahrungen und den spezifischen Bedingungen ergänzen, präzisieren oder umordnen kann. Die vorliegende Form ermöglicht auch schnelle und kostengünstige Ergänzungen und Präzisierungen.
Für Anregungen, Vorschläge für konkrete Unterrichtsmaterialien, Kritiken und Hinweise ist der DUDEN PAETEC Schulbuchverlag immer dankbar.
Redaktion Physik
DUDEN PAETEC GmbH
Bouchéstraße 12, Haus 11
12435 Berlin
E-Mail: [email protected]
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Kräfte
(22 Std.)
Mechanische Kräfte
Magnetische Kräfte
Elektrostatische Kräfte
Stromstärke und Spannung in
Stromkreisen (18 Std.)
Die elektrische Stromstärke
Die elektrische Spannung
Energiewandler
(10 Std.)
Energie, Energieformen und Energieumwandlungen
Mechanische Energie und mechanische Leistung
Licht und seine Eigenschaften (17 Std.)
Ausbreitung des Lichts
Reflexion des Lichts
Brechung des Lichts
Bildentstehung an Sammellinsen
und optische Geräte
Körper, Dichte der Stoffe, Bewegungen (14 Std.)
Körper und Stoff
Volumen, Masse und Dichte
Bewegungen und ihre
Beschreibung
Temperatur und der Zustand von
Körpern (14 Std.)
Temperatur und Temperaturmessung
Volumen- und Längenänderung
von Körpern
Aggregatzustände und ihre
Änderungen
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Kraftwandler – früher und heute
Elektrische Schaltungen
Vom Fliegen
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Sehen und Fotografieren
Wärmedämmung
Farben
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Elektrische Stromkreise (5 Std.)
Elektrischer Strom und seine
Wirkungen
Elektrische Stromkreise
Klasse 7 (2 Stunden)
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Vom Ballonfahren
Kühlschrank und Wärmepumpe
Elektrisches Messen nichtelektrischer Größen
Selbstständiges Experimentieren
(8 Std.)
Eigenschaften elektrischer Bauelemente (15 Std.)
Der elektrische Widerstand
Widerstandsgesetz
Kennlinie von Bauelementen
Elektrische Energie und Leistung
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Natürliche Radioaktivität
Energie von Wind und Sonne
Bewegungen auf gekrümmten
Bahnen
Physikalisches Praktikum (7 Std.)
Bewegungsgesetze (16 Std.)
Kinematische Bewegungsgesetze
Newtonsche Gesetze
Energieversorgung
(18 Std.)
Energiebereitstellung in Kraftwerken
Elektromagnetische Induktion
Kernenergie
Grundlagen der Elektronik
(9 Std.)
Eigenschaften von Halbleiterdiode, Solarzelle, Transistor
Leitungsmechanismen in Halbleitern
Mechanik der Flüssigkeiten und Gase (12 Std.)
Der Druck
Schweredruck in Flüssigkeiten
Auftrieb
Luftdruck
Thermische Energie
(15 Std.)
Themische Energie und Wärme
Übertragung von Energie
Wärmekraftmaschinen
Klasse 9 (2 Stunden)
Klasse 8 (2 Stunden)
Übersicht über den Physikunterricht der Klassen 6 –10 Gymnasium
Klasse 6 (2 Stunden)
2
Zeit zur freien Verfügung
Zeit für Projekte
Fächerverbindender Unterricht
Wahlpflichtbereiche
(je 4 Std., 2 Themen zur Auswahl)
Fernrohre
Kommunikation mit
elektronischen Medien
Fernsehbildtechnik
Physikalisches Praktikum (6 Std.)
Hertzsche Wellen
(7 Std.)
Eigenschaften und elektromagnetisches Spektrum
Licht als Strahl und Welle
(9 Std.)
Brechungsgesetz, Dispersion und
Farbzerlegung
Beugung und Interferenz
Kosmos, Erde und Mensch
(18 Std.)
Sonnensystem, Sterne, Sternsysteme
Orientierung am Himmel
Weltbilder
Erkenntnismethoden in der
Astronomie
Mechanische Schwingungen und
Wellen (10 Std.)
Beschreiben mechanischer
Schwingungen
Beschreiben mechanischer Wellen
Schallwellen
Klasse 10 (2 Stunden)
Übersicht über den Physikunterricht der Klassen 6 –10 Gymnasium
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Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 10 Gymnasium
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2
Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen
und Wellen
10
Motivieren, dass Größen zweckmäßig sind, die den Merkmalen einer
Schwingung entsprechen, Analogien zu den Größen einer fortschreitenden Bewegung herstellen, Ermitteln von Größen aus Schwingungsdiagrammen, Zeichnen eines Diagramms nach vorgegebenen Größen
Darstellen im Diagramm, Unterscheiden hinsichtlich Amplitude und
Periodendauer (Frequenz)
DE Gedämpfte Schwingung
Beispiele für erwünschte und unerwünschte Dämpfung, Schwingungsdämpfer
ungedämpfte und gedämpfte Schwingung
HA: Recherche zur Entwicklung der Zeitmessung
Erläutern von Beispielen für Schwingungen in Natur und Technik
Erarbeiten der Schwingungsmerkmale (zeitliche Periodizität, Bewegung
um Gleichgewichtslage, rücktreibende Kraft), Vergleich mit fortschreitender Bewegung
DE/SE Messen der Größen an Federschwinger- und Fadenpendel
Analysieren von Beispielen für mechanische Schwingungen, Baukran:
Schwingung der Last bei Hubstopp (Federschwinger) und Pendelbewegung beim Auslegerdrehen (Fadenpendel), Federung von Fahrzeugachsen, Vibration von Maschinenteilen, Schallentstehung
DE: Modellkran mit Gummi als Tragseil, Resonanz bei Motor mit Unwucht
Methodische Hinweise
Größen zur Beschreibung einer Schwingung
− Auslenkung, Amplitude, Periodendauer,
Frequenz (f = }
​ 1T ​)
− Darstellen einer Schwingung im
y-t-Diagramm
Merkmale einer Schwingung
Beherrschen des Arbeitens mit physikalischen
Größen zur Beschreibung mechanischer
Schwingungen
Schwingung als Bewegungsart
Inhalte
Stundenzahl
Geräte für DE
Modell einer Fahrzeugachse, verschiedene
Musikinstrumente, Stimmgabel oder Lautsprecher mit Styroporkugeln,
Federschwinger- und Fadenpendel
LB S. 8 – 45
AH S. 1–11
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
Es werden folgende Abkürzungen verwendet:
LB Lehrbuch Level Physik 10 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2007, ISBN 978-3-89818-352-9
Ah Arbeitsheft Level Physik 10 SN G. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag 2007, ISBN 978-3-89818-353-6
SEA Kombipaket S I Experimentieranleitungen mit CD-ROM. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag, ISBN 978-3-89517-791-0
AB I Kombipaket Kopiervorlagen Physik (Arbeitsblätter) mit CD-ROM. DUDEN PAETEC Schulbuchverlag, ISBN 978-3-89517-645-6
SE Schülerexperiment
DE Demonstrationsexperiment
B astronomische Beobachtung
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Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 10 Gymnasium
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Anwenden der Gleichungen zur Berechnung
der Periodendauer bei Fadenpendel und
Federschwinger
Abhängigkeit der Periodendauer von den
Eigenschaften des Federschwingers bzw.
Fadenpendels
2
Schwingerkette
Geräte für DE
Computersimulation
Folien
Darstellen von Schwingungszuständen in Abhängigkeit vom Ort im
Diagramm
Ergänzen durch Wellenlänge und Ausbreitungsgeschwindigkeit
Herleiten von v = λ · f
Berechnungen
y-s-Diagramm
Größen zur Beschreibung einer Welle
Analysieren von Beispielen für die Ausbreitung von Schwingungen im
Raum: Erdbebenwellen, Übertragung von Schwingungen in Gebäuden,
Wasserwellen, Schallwellen
Musikinstrumente, Aufstellen von Werkzeugmaschinen, Video zum Brückeneinsturz
Beispiele für erwünschte und unerwünschte Resonanz
DE Bedingungen für das Entstehen mechanischer Wellen, Kopplungsarten (besonders Kohäsion)
Zeigen, dass an bestimmten Orten Schwingungszustände zeitlich periodisch verlaufen und dass zu bestimmten Zeiten gleiche Schwingungszustände in gleichen räumlichen Abständen wiederkehren
Beherrschen des Arbeitens mit physikalischen
Größen zur Beschreibung mechanischer
Wellen
Begriff Welle
1
Doppelpendel, Computersimulation, Eintauchen eines Federschwingers in periodisch
erregte Spule, Stimmgabelpaar mit Resonanzböden
Formelsammlung
SEA S1, S2
Nutzen von Wissensspeichern
(z. B. Basiswissen Physik)
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
DE Unterscheiden von Eigenschwingung und erzwungener Schwingung,
Kopplung eines Schwingers mit einem Erregerschwinger
Einfluss der Unterschiede des Betrags zwischen Eigen- und Erregerfrequenz auf die Amplitude, Resonanzbedingung
Mitteilen und Interpretieren der Gleichungen, Hinweis auf Gültigkeitsbedingungen
Berechnungen zu technischen Sachverhalten, Ermitteln der Fallbeschleunigung
SE Zusammenhang von Periodendauer und Masse unter Verwendung
von Federn verschiedener Federkonstanten (arbeitsteilig)
SE Zusammenhang von Periodendauer und Pendellänge
Hinweisen auf den Einfluss der rücktreibenden und auslenkenden Kraft
und der Trägheit, Federkonstante D (hookesches Gesetz) bzw. Gewichtskraft und Pendellänge (Kräftezerlegung)
Methodische Hinweise
Bedingungen für das Entstehen einer mechanischen Welle, Welle als zeitlich und örtlich
periodischer Vorgang
Kennen der Merkmale von Eigenschwingungen und erzwungenen
Schwingungen sowie der Resonanz
1
Gleichungen für die Darstellung der
Zusammenhänge
Inhalte
Stundenzahl
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3
Einblick gewinnen in Schallwellen
Ausbreitung von Schallwellen
1
Kennen der Interferenz mechanischer Wellen
Beugung
Brechung
Einblick gewinnen in die Ausbreitungseigenschaften Reflexion, Beugung und Brechung
Reflexion
Zusammenhänge: Tonhöhe -Frequenz
Lautstärke -Amplitude
Inhalte
Stundenzahl
DE Interferenz von Schallwellen von zwei Lautsprechern, die parallel und
polrichtig geschaltet werden
DE Beobachten von Zonen der Verstärkung und Auslöschung bei ebenen
Kreiswellen
Vertiefen durch grafisches Ermitteln der resultierenden Welle zweier
überlagerter linearer Wellen, Beachten von Erscheinungen der Interferenz
bei der Beschallung
DE Wahrnehmen des Uhrentickens seitlich vom Standzylinder
Erklären mit Druckschwingungsausbreitung in den abgeschirmten Bereich,
Diskutieren der Probleme an Schallschutzwänden
Mitteilen, dass beim Übergang von Schall in andere Stoffe sich als Folge
der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit ebenfalls die
Ausbreitungsrichtung ändern kann
DE Reflexion des Uhrentickens
α = α΄ für die Änderung der Ausbreitungsrichtung,
Schallreflexion in Sälen, Nachhall, Echo
Maßnahmen zur Verbesserung der Akustik, Echolot in Schifffahrt und
Fischerei
SV Sonografie in der medizinischen Diagnostik
Schallwellen als Ausbreitung von Druckschwingungen
DE Modellieren einer Längswelle
Ausbreitungsgeschwindigkeit in verschiedenen Stoffen
Ohr als Schallempfänger, Hörbereich und Stimmumfang bei Mensch und
Tieren, Ultraschall
DE Demonstration von Schwingungsbildern mit Oszillografen
Methodische Hinweise
Foliensatz
Tonfrequenzgenerator,
zwei gleichartige Lautsprecher
Geräte für DE
mechanische Stoppuhr, Standzylinder,
Glasscheibe, Dämpfungsmaterial
Stimmgabel, Mikrofon, Oszillograf
Tafelwerk
Ohrmodell, Galtonpfeife
Schwingerkette, Eselte-Feder
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
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Verdeutlichen der zeitlich veränderlichen Beleuchtungsgeometrie infolge
der Mondbewegung, Kennen der Mondphasen und ihres Beobachtungszeitpunkts, Entstehen von Mond- und Sonnenfinsternissen
DE Mondbewegung und Beleuchtungsformen des Monds (Tellurium)
DE Entstehung von Kern- und Halbschatten
B Ermitteln der Zeit zwischen zwei Vollmonden (synodischer Monat)
Herausarbeiten der Bedeutung der Sonne für unseren Heimatplaneten
Abschätzen der Strahlungsleistung der Sonne
DE Abschätzen der Solarkonstante (bei gutem Wetter)
Erläutern der Energiefreisetzung im Sonneninneren
Erklären der Schalenstruktur der Sonne und von Erscheinungen der
aktiven Sonne in den äußeren Sonnenschichten
B Beobachten von Sonnenflecken bei klarem Wetter durch Projektionsmethode (Achtung! Schüler auf Gefahren hinweisen), sonst Nutzung
aktueller Satellitenbilder der Sonne
Schildern der Anordnung und Verteilung der kosmischen Materie im All,
Erarbeiten einer Zeichnung zur Struktur der Galaxis mit den Bestandteilen
Gas, Staub, Sternhaufen
Motivieren mit der Frage: Wie würde die kosmische Anschrift der Menschheit im Universum lauten?
Beschreiben großer Strukturen (Galaxienhaufen)
Sonne als typischer Stern
Aufbau der Sonne (Sonnenaktivität)
Sternsysteme – Große Strukturen im Überblick
Entwickeln von Modellvorstellungen über die wahren Größenverhältnisse
im Sonnensystem:
Größenvergleich Sonne -Planeten
Massenvergleich Sonne -Planeten
Verwenden maßstäblicher Modelle der Ausdehnung des Sonnensystems,
Nennen und Vergleichen von Eigenschaften der Objekte im Sonnensystem
Mondphasen und Finsternisse
Einblick gewinnen in die Eigenschaften
astronomischer Objekte und astronomischer
Erscheinungen
Objekte im Sonnensystem, ihre wahren
Größen, Massen- und Abstandsverhältnisse
7
Erarbeiten einer Übersicht zu den Oberflächenbedingungen
(Temperaturen, Gashülle, Oberflächenformationen oder atmosphärische
Strukturen) auf Erde, Mond, Mars, Venus, Jupiter
SV Eigenschaften ausgewählter Planeten
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
18
Methodische Hinweise
Physikalische Bedingungen an der Oberfläche
ausgewählter Himmelskörper
Inhalte
Stundenzahl
Folie: Das Milchstraßensystem (schematisch),
Bildmaterial des Hubble-Weltraumteleskops
(Nebel, Sternhaufen, Galaxien,
Galaxienhaufen):
http://hubblesite.org/newscenter/
Schulfernrohr mit Projektionsschirm,
tagesaktuelle Sonnenbilder und der aktuelle
Sonnenwind unter:
http://sohowww.nascom.nasa.gov/
Thermometer, Erlenmeyerkolben mit geschwärztem Boden, durchbohrter Stopfen,
Stativmaterial, Uhr
Beobachtung als langfristige HA
Tellurium
Haftoptiksatz mit zwei Lichtquellen
Einsatz von Bildern der DLR und NASA
http://photojournal.jpl.nasa.gov
Nutzung von Wissensspeichern (z.B. Basiswissen Astronomie)
Modell des Sonnensystems im LB
evtl. Besuch eines Planetenwanderwegs
Modellvergleich Ball (Sonne),
Murmel (Jupiter), Stecknadelkopf (Erde)
LB S. 46 – 95
AH S. 12 – 22
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
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3
Anwenden grundlegender Hilfsmittel zur
Orientierung am Sternhimmel
Scheinbare Himmelskugel und scheinbare
Bahnen der Sterne
2
Gravitationsgesetz
Keplersche Gesetze
Einblick gewinnen in die Wandlung unserer
Weltsicht vom Altertum bis zur Gegenwart
Weltbilder und Weltmodelle
Sternbilder
Inhalte
Stundenzahl
Verdeutlichen des Zusammenhangs F ~ }
​ mM
​ durch Einbeziehen der
r 2
newtonschen Axiome
gemeinsames Lösen von zwei Aufgaben: Wägung der Erde und Vergleich
von Gravitationskräften, z. B. Sonne-Mond, Erde-Mond
Hinweisen auf Strukturbildung durch Bewegung und Gravitation
(Was würde mit den Planeten passieren, wenn sie sich nicht bewegen
würden?)
Erläutern der keplerschen Gesetze und qualitatives Anwenden auf die
Bewegung der Planeten
Hinweis, dass der prinzipielle Zusammenhang auch für andere Systeme
gilt (Jupitermondsystem, andere Planetensysteme)
Interpretieren von Tabellen zur Bahngeschwindigkeit, Umlaufzeit und
dem Abstand der Planeten
DE (Freihandversuch zum 2. keplerschen Gesetz)
Erhöhung der Bahngeschwindigkeit bei Verkürzung des Bahnradius
Herausarbeiten der Unterschiede von heliozentrischem und geozentrischem Weltbild, Hinweisen auf historische Personen (C. Ptolemäus,
N. Kopernikus, G. Bruno, G. Galilei, J. Kepler)
SV Kopernikus, Ptolemäus
Erklären des Unterschieds von Weltbild und Weltmodell, Lehrervortrag zu
den modernen Ansichten von der Entstehung des Sonnensystems und des
Universums
Taschenrechner, Tafelwerk
Seil mit Massenstück, Aufsteckhülse zum
Durchziehen des Seils
Tafelwerk
Die Sammlung von Astronomenbiographien
im Internet:
http://www.astro.uni-bonn.de/~pbrosche/
hist_astr/ha_pers-d.html
(qualitativ gesicherte Seite der Astronomischen Gesellschaft)
Beobachtung als HA
B
Aufsuchen des Großen Wagens und des Polarsterns, Skizzieren der
Lage des Sternbilds am morgendlichen und abendlichen Sternhimmel
relativ zum natürlichen Horizont
Am Beobachtungsabend (siehe unten): Erklären der Sternbilder am
Nachthimmel
Rollbildkarte nördlicher Sternhimmel
Drehbare Sternkarte als Himmelskarte nutzen
(keine Aufgaben)
Himmelsglobus, Erdglobus, Einsatz von
Sternspuraufnahmen,
Computer mit Planetariumsprogramm oder
Ephemeridenprogramm
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
Hinweisen auf die Rolle der Sternbilder zur Orientierung,
Erklären der wichtigsten Sternbilder: Zirkumstellarsternbilder, Tierkreissternbilder, Aufsuchen des Polarsterns
Erarbeiten einer Übersicht: Wann sind ausgesuchte Sternbilder abends
sichtbar? zirkumstellar – immer, Tierkreis – abhängig von Jahreszeit.
Erläutern wichtiger Hilfspunkte und Hilfslinien, Verdeutlichen des Unterschieds zwischen scheinbarer und wahrer Bewegung am Modell,
Einsatz von Rollenspielen zum Auf- und Untergang der Sterne,
Demonstrieren der täglichen Bewegung am Computer
Methodische Hinweise
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Rollkarte Mondoberfläche, Mondatlas
(Schulatlas)
Schulfernrohr oder wahlweise Feldstecher mit
Stativen oder anderweitigen Befestigungsmöglichkeiten (Schraubzwingen), Taschenlampen, feste Schreibunterlagen
Taschenrechner, Angaben von Sternparallaxen
und Entfernungen, Folie zur trigonometrischen Parallaxe
Quecksilberdampfdrucklampe (oder andere
Spektrallampe), Reflexionsgitter (wahlweise
Prisma), Spaltblende, Abbildungslinse, Auffangschirm, Bunsenbrenner, ein kleines Stück
Eisen, Halteklammer, Taschenspektroskop
Rolltafel HRD, HRD auf Folie
Vermitteln der Eigenschaft astronomischer Beobachtung als zielgerichtete
Wahrnehmung
Vorbereiten des Beobachtungsabends (Mondbeobachtung), Erarbeiten
eines Schemas für ein Beobachtungsprotokoll, Wiederholen von Mondformationen anhand einer Mondkarte/Foto
B Mondbeobachtung (Beleuchtungsgrad, Maria, Mondberge, Krater)
Auswerten der Schülerprotokolle
Einführung des Begriffs der Parallaxe p
SE Wahrnehmen und Vergleichen von Parallaxen durch Schließen des
rechten und linken Auges (Augenparallaxe)
Erarbeitung des Zusammenhangs p ~ }
​ 1r ​, wobei r die Entfernung ist
Übertragen des Zusammenhangs auf die Sternparallaxen
Erklären astronomischer Entfernungseinheiten
Veranschaulichen von Sternparallaxen und Sternentfernungen
Erarbeiten der Funktionsweise eines Spektralapparats,
phänomenologisches Erklären der Entstehung von Spektrallinien
Verdeutlichen des Zusammenhang zwischen Leuchtfarbe und Oberflächentemperatur
Einführen der Spektralklassen
DE Spektrallinien einer Quecksilberdampfdrucklampe
DE Glühfarben eines Metallstücks im Bunsenbrenner
B Spektrallinien im Sonnenspektrum mit Taschenspektroskop zeigen
(bei gutem Wetter)
Hinweisen auf die Zustandsgrößen Oberflächentemperatur und
Strahlungsleistung (Leuchtkraft)
Vorstellen des HRD
Aufmerksam machen auf die logarithmische Achsenteilung
Arbeiten im Diagramm: Eintragen von Sternen, systematische Einführung
der Häufungsgebiete (Hauptreihe, weiße Zwerge, Riesen)
Aussagen treffen über Sternradien, Strahlungsleistungen, Temperaturen
Die Rolle der Beobachtung/Vorbereitung des
Beobachtungsabends
Trigonometrische Parallaxen
Auswertung von Sternspektren
Hertzsprung-Russell-Diagramm (HRD)
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
Internet: aktuelle Satellitenmissionen:
http://www.dlr.de/
Kennen wichtiger Methoden der Erkenntnisgewinnung in der Astronomie
Forschungsmittel der Astronomie
6
Methodische Hinweise
Erläutern der Sonderstellung der Astronomie: Forschung fast ohne
Experimente
Vermitteln eines Überblicks zu Forschungsmitteln, Teleskope, Satelliten,
Raumsonden
Hinweisen auf spezielle Forschungsinstrumente für jeweilige
Wellenlängenbereiche der Strahlung
SV Aktuelle Satellitenmissionen
Inhalte
Stundenzahl
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 10 Gymnasium
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2
DE/SE Reflexion und Brechung (Wiederholung aus Klasse 6)
Zeigen, dass Erklärung der Richtungsänderung mit Wellenannahme
möglich ist
Modell Lichtstrahl (Wellennormale),
Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien
Wiederholen des Begriffs Welle, Ausbreitung von Licht auch im Vakuum
Mitteilen, dass Licht mit periodischer Änderung elektromagnetischer
Felder erklärt werden kann (Verweis auf spätere Erörterung),
Zuordnung von Frequenzen zu Spektralfarben
c = λ ∙ f, Abhängigkeit von Ausbreitungsmedium
Übertragen der Kenntnisse über mechanische
Wellen auf Licht
gleichförmige Ausbreitung des Lichts
Analysieren des aus dem Prisma austretenden Lichts
DE Farbzerlegung des weißen Lichts und Wiedervereinigung
der Spektralfarben
Dispersionsspektrum, Grenzen des Modells Lichtstrahl,
Zuordnung von Wellenlängen zu Spektralfarben
1
Dispersion
Anwenden der Gesetze der Lichtausbreitung
auf optische Phänomene
Reflexion und Brechung
SE Brechungsgesetz
Feststellen des Umschlagens zur Totalreflexion, Grenzwinkel,
Berechnungen mit dem Brechungsgesetz
Wiederholen der Anwendung in Prismen, Linsen und Lichtleitkabeln
(Lichtwellenleiter)
Lernbereich 3: Licht als Strahl und Welle
9
Beschreiben der Entwicklung eines sonnenähnlichen Sterns,
Verfolgen des Entwicklungswegs im HRD
Hinweisen auf die Entstehung von anderen Planetensystemen
Erläutern der Endstadien der Sternentwicklung und der Zukunft der
Sonne, Einordnen der Zeitspanne für die Entwicklung des Lebens und des
interstellaren Lebens
Methodische Hinweise
Brechungsgesetz
Totalreflexion
Entwicklung der Sterne
4
2
Inhalte
Stundenzahl
Haftoptik
Geräte für DE
SEA O1
vorbereitende HA
Haftoptik
Folien
Tafelwerk
LB S. 96 – 113
AH S. 23 – 26
Rolltafel HRD, HRD auf Folie
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
10
Vorschlag für einen Stoffverteilungsplan Sachsen Physik Klasse 10 Gymnasium
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Inhalte
Beugung und Interferenz an Doppelspalt und
Gitter
Lernbereich 4: Hertzsche Wellen
Einblick gewinnen in die Geschichte der Entdeckung und Nutzung hertzscher Wellen
Kennen hertzscher Wellen
Nachweis der Welleneigenschaften
Frequenzen und Wellenlängen für
verschiedene Nutzungen
Übertragen des Wissens über Licht
auf das elektromagnetische Spektrum
Stundenzahl
3
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8
1
2
1
1
Informieren über die Entstehung des Lichts in der Atomhülle, Kohärenz
Vergleichen der Eigenschaften von Hertzschen Wellen und von Licht,
Einordnen in das elektromagnetische Spektrum
DE Vergleichen von mechanischen und elektromagnetischen Wellen
hinsichtlich der Ausbreitung im Vakuum
Die Information zu den Frequenzbereichen, ihren Eigenschaften und
Nutzungen kann in Schülergruppen arbeitsteilig erfolgen.
Hinweisen auf internationale Konventionen und Vergabe von Frequenzen, Zusammenhang von Sendeleistung Reichweite und Senderabstand, Vermeidung von Überlagerungen, Gefahren für den Menschen im
Mikrowellenbereich
DE Übertragung eines Tonsignals mittels hertzscher Wellen
DE Nachweis von Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz durch
Beugung am Doppelspalt, Abschirmung (Faradayscher Käfig)
Die Erschließung der Inhalte sollte in Schülerarbeitsgruppen
(Gruppenpuzzle) vorgenommen werden: Arbeiten von Maxwell;
Experimente von H. Hertz, Marconi, Popow, Braun;
Anwendungen der Funktelegrafie im ersten Weltkrieg
Entwicklung des Rundfunks und seine Nutzung als Propaganda- und
Unterhaltungsmedium, Beitrag v. Ardennes zur Entwicklung des
Fernsehens, Funktelefonie
SEA O3
SE Interferenz am Doppelspalt
Vergleichen der experimentellen Befunde mit denen des Experiments zur
Interferenz von Schallwellen
Hinweisen, dass am Spalt Beugung erfolgt (evtl. Informationen über
Kohärenz) und es demzufolge zu Überlagerungen von Wellen am
Doppelspalt und Gitter kommt
SE Interferenzmuster von monochromen und weißem Licht am Gitter
Zeigen, wie experimentelle Ergebnisse mit Gleichungen beschrieben
werden können
DE/SE Bestimmen der Wellenlänge von einfarbigem Licht
Hinweisen auf Spektralanalyse und ihre Anwendung außerhalb
der Astronomie
Vakuumpumpe, Rezipient, Lichtquelle,
Schallquelle
Dezimeterwellengerät
Taschenradio, Geräte zur Abschirmung
Recherche, Video,
LB S. 114 –131
AH S- 27– 30
SEA P26, Laserpointer
SEA O3
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Methodische Hinweise
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LB S. 144 –154
LB S. 144 –148
Schulfernrohr Telementor, weitere Fernrohre
bzw. Abbildungen
Aus den drei Wahlpflichtbereichen können zwei ausgewählt werden.
Abstimmen mit Lernbereich 2 und 3
LV Vergleich von historischen und gegenwärtigen Möglichkeiten von
Himmelsbeobachtungen, Hervorheben der wissenschaftlichen Leistungen von Herschel, von Fraunhofer und Kepler
SE Aufbau eines Linsenfernrohrs, Beschreiben des Strahlenverlaufs im
astronomischen Fernrohr
SE Schätzen von Sehwinkeln
Berechnen von Vergrößerungen, Strahlenverlauf am Newtonfernrohr
Wahlpflichtbereiche
Wahpflicht 1: Fernrohre
Anwenden der Kenntnisse zur Reflexion und
Brechung des Lichts auf die Wirkungsweise
von Fernrohren
Geräte für SE
SEA P7
SEA P6
SEA P5
Es eignen sich u. a. folgende Aufgaben:
− Schwingungsdauer eines Hemmungspendels
− Aufnahme der Resonanzkurve von gekoppelten Schwingern
− Bestimmen der Wellenlänge von Schallwellen
Problemlösen bei komplexen experimentellen
Anforderungen
Die im Lehrplan vorgegebenen Kompetenzen sollten mittels komplexer
experimenteller Aufgaben erreicht werden.
Dabei sollten sowohl Aufgaben mit vorgegebener Handlungsfolge als
auch Aufgaben erteilt werden, bei denen die Planung von Experimentieranordnung, Handlungsfolge und/oder Auswertung von den Schülern nach
vorgegebenen Gerätevoraussetzungen selbstständig erfolgt.
Messwerte sollten sowohl mit herkömmlichen Methoden als auch
computergestützt erfasst und verarbeitet werden.
LB S. 132 –143
Zu bearbeitende Anleitungen sind enthalten in:
SEA S3
SEA S4, M2
SEA P24
SEA P25, O2
Lernbereich 5: Physikalisches Praktikum
6
Präsentationstechnik bereitstellen
Informationsmittelbereitstellung
Erarbeiten der Wirkprinzipien von verschiedenen technischen Sachverhalten in Schülergruppen: Übertragung von Tonsignalen mittels
hertzscher Wellen, Radartechnik, Funkfernsteuerungen, Handynetze,
Satellitenfernsehen, Satellitennavigation
Abstimmen mit dem Wahlpflichtbereich 2
Präsentieren der Arbeitsergebnisse in Schülervorträgen
(Einbeziehen von Experimenten), Postern u. a.
Es eignen sich u. a. folgende Aufgaben:
− Bestimmen der Fallbeschleunigung mithilfe eines Fadenpendels
− Bestimmen der Federkonstante eines Federschwingers
− Bestimmung der Brennweite einer Sammellinse nach der Linsengleichung
− Erarbeiten bzw. Anwenden der Gleichung für den Abbildungsmaßstab
bei der Bilderzeugung mit Sammellinsen
Einblick gewinnen in das Wirkprinzip
technischer Anwendungen hertzscher Wellen
3
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
Methodische Hinweise
Anwenden der Kenntnisse über die experimentelle Methode in der Physik beim selbstständigen Erarbeiten neuen Wissens
Inhalte
Stundenzahl
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Stufen der Rückgewinnung der Signale
SE/DE Aufbau eines Empfängers
Demodulation
8
Das Thema orientiert sich an den Perspektiven Raum und Zeit,
Sprache und Denken sowie Natur und Kultur und enthält Elemente aus
den thematischen Bereichen Umwelt, Technik, Kunst und Medien.
Informieren über die Pixelerzeugung bei Röhren-, LCD-, und
Plasmabildschirmen
Nähere Behandlung von Funktionsweise und Aufbau einer Bildschirmart
Aufbau und Funktionsweise einer
Bildschirmart
Fächerverbindendes Thema: Unsere Welt ist bunt
Vertiefen der Kenntnisse zur Geschichte des Fernsehens,
Schüleraufträge zur Präsentation
Aufbau des Bilds aus nacheinander erzeugten Pixels (Schwarz-Weiß),
„Trägheit des Auges“ bei der Wahrnehmung
Anordnung der Pixel in Zeilen (Hinweis auf 100-Hz-Technologie),
Erweiterung auf Farbpixel beim Farbfernsehen, Loch- und Schlitzmaske
Kennen des Aufbaus und der Entstehung von
Fernsehbildern
Aufbau des Fernsehbilds
Wahlpflicht 3: Fernsehbildtechnik
Notwendigkeit der Modulation, Modulation analoger (AM und FM) und
digitaler Signale, Vor- und Nachteile, Trägerfrequenz
DE Prinzip der Modulierung am Beispiel der Amplitudenmodulation
DE Erzeugen hertzscher Wellen mit Sendeantenne
Modulation
4
Videosequenzen, Schülerbeiträge
Vertiefen historischer Sachverhalte der Nutzung hertzscher Wellen,
Rolle der Medien in der Politik
DE Umwandeln von Schallschwingungen in elektrische Schwingungen
(Mikrofon)
analoge und digitale Signale, Frequenzbereiche hertzscher Wellen,
Frequenzen von Tonschwingungen
Einblick gewinnen in das Prinzip der Informationsübertragung mit hertzschen Wellen
Informationsaufbereitung
LB S. 155 –159
Realgeräte und Modelle
Farbkreisel
LB S. 152 –154
Geräte für SE/DE
Geräte für DE, Oszillograf
Geräte für DE
LB S. 149 –151
Abstimmen mit Lernbereich 4 und Wahlpflicht 3
Wahlpflicht 2: Kommunikation mit elektronischen Medien
Hinweise auf Lehr- und Lernmittel
4
Methodische Hinweise
Inhalte
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.1 Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen
4.1.1 Mechanische Schwingungen
Im Abschnitt Mechanische Schwingungen sollen die
Schüler
− eine Einführung in die Schwingungslehre anhand mechanischer Schwingungen erhalten,
− mechanische Schwingungen mithilfe physikalischer
Größen (Auslenkung, Amplitude, Schwingungsdauer,
Frequenz) beschreiben können,
− die Gleichungen zur Berechnung der Periodendauer
bei Fadenpendel oder Federschwinger anwenden
können,
− erfassen, dass Schwingungen in vielen Bereichen der
Natur und der Technik auftreten, in einer Reihe von
Fällen genutzt werden, in anderen Fällen aber unerwünscht sind und verhindert oder gedämpft werden
müssen,
− einen Einblick in die Akustik gewinnen und den Zusammenhang von Tonhöhe und Frequenz sowie Lautstärke und Amplitude erkennen.
Bei der Behandlung der mechanischen Schwingungen
besteht ein erster Schwerpunkt darin, den Schwingungsbegriff zu klären. Dabei sind unterschiedliche Aspekte zu
beachten:
Tafelbild
1. Es ist sinnvoll, periodische Vorgänge von den spezielleren Schwingungen zu unterscheiden. Geeignet
sind dafür die im LB genannten Beispiele, wobei den
Schülern deutlich werden sollte: Jede Schwingung
ist ein periodischer Vorgang, aber nicht jeder periodischer Vorgang ist eine Schwingung.
2. Will man zunächst nur einen auf die Mechanik beschränkten Schwingungsbegriff einführen, dann
reicht eine Formulierung wie z. B.: Eine mechanische
Schwingung ist eine zeitlich periodische Bewegung
eines Körpers um eine Ruhelage. Um zu einer solchen Formulierung zu kommen, empfiehlt es sich,
zunächst verschiedene Schwinger zu betrachten
und anhand der unterschiedlichen Schwinger das
Gemeinsame – die periodische Bewegung um eine
Ruhelage – herauszuarbeiten. Geeignet dafür sind
z. B. Federschwinger, Fadenpendel, horizontale Federschwinger auf einer Luftkissenbahn, schwingende
Blattfedern, große Stimmgabeln oder auch einfach
schwingende Plastiklineale oder eine schwingende
Lampe.
An ausgewählten Beispielen kann den Schülern auch
verdeutlicht werden, unter welchen Bedingungen
überhaupt eine mechanische Schwingung zustande
kommt. Vorhanden sein müssen
− ein schwingungsfähiger Körper,
− eine auslenkende Kraft und
− eine zur Ruhelage rücktreibende Kraft.
3. Mit Blick auf die spätere Behandlung der elektromagnetischen Schwingungen kann man von vornherein den Schwingungsbegriff so weit fassen, dass
er für alle Arten von Schwingungen anwendbar ist.
Zweckmäßig ist es dann, die Schwingung als zeitlich
periodische Änderung von physikalischen Größen einzuführen, wobei dies sowohl mechanische Größen als
auch nicht mechanische Größen sein können.
Mechanische Schwingungen
Eine mechanische Schwingung ist eine zeitlich
periodische Bewegung eines Körpers um eine
Ruhelage.
Mechanische Schwingungen können erwünscht oder unerwünscht sein.
erwünschte Schwingungen
unerwünschte Schwingungen
Pendel einer Uhr
Schaukel
Unruh einer Uhr
Stimmgabel
Schwingungen eines Autos
Klirren von Fensterscheiben
Mitschwingen des Fundaments
einer Maschine
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Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen
− Schallschwingungen unterschiedlicher Art: Mithilfe
von Mikrofon und Oszillograf lassen sich unterschiedliche Schwingungen sichtbar machen.
− Schwingungen eines Sandpendels: Ein bifilar aufgehängtes, mit Sand gefülltes Pendel wird genutzt, um
ein Schwingungsbild zu erzeugen.
Bei der Einführung von Größen zur Beschreibung mechanischer Schwingungen bietet sich eine enge Verknüpfung zwischen einem realen Schwinger und dem y-tDiagramm an. Besonders eignet sich dazu ein langsam
schwingender vertikaler Federschwinger, weil in diesem
Fall die Schwingungsrichtung mit der Darstellung im y-tDiagramm übereinstimmt.
Genutzt werden kann im Unterricht die entsprechende
Darstellung im LB. In analoger Weise kann auch das TB
entwickelt werden. Zuvor oder auch nachträglich können
den Schülern an verschiedenen Beispielen Schwingungsbilder demonstriert werden, wobei auch deutlich werden
sollte, dass harmonische (sinusförmige) Schwingungen
ein Spezialfall sind und Schwingungen sehr unterschiedliche Formen haben können.
Geeignete Experimente zur Demonstration von Schwingungsbildern sind:
− Schwingungen einer angeschlagenen Stimmgabel:
Eine Stimmgabel mit Schreibspitze wird über eine
berußte Glasplatte gezogen. Damit dieses für alle
Schüler sichtbar ist, legt man die Glasplatte auf den
Tageslichtprojektor.
Pendelkörper
mit Sand gefüllt
Unterlage
− Schwingungen eines Fadenpendels mit Schreibspitze:
Der Aufbau ist analog dem des Sandpendels. Als
Pendelkörper wird ein Körper großer Masse verwendet. Mit ihm verbunden ist ein vertikal beweglicher
Schreibstift. Als Unterlage wird Papier verwendet.
Zur Festigung kann das beiliegende Arbeitsblatt genutzt werden. Bei der Erarbeitung der Gleichung für die
Schwingungsdauer eines Fadenpendels können die Akzente z. B. sehr unterschiedlich gesetzt werden:
  }
− Es wird beim Fadenpendel der Zusammenhang T ~​√ l ​ untersucht.
Das Ergebnis dieser Untersuchung wird in der Regel
sein, dass man feststellt: Beide Größen sind nicht
proportional zueinander. Nicht ableitbar aus der üb-
Tafelbild
Unabhängig von der Art der Einführung sollte im Interesse der Praxisverbundenheit mit den Schülern diskutiert werden, wo in Natur und Technik Schwingungen
auftreten, wo sie genutzt werden und wo sie auftreten,
aber unerwünscht sind.
Die wichtigsten Unterrichtsergebnisse sind im TB zusammengefasst.
Beschreibung mechanischer Schwingungen
Auslenkung y
Mechanische Schwingungen können
durch y-t-Diagramme beschrieben
werden.
ymax
ymax
Zeit t
Schwingungsdauer T
Größen zur Beschreibung von Schwingungen sind:
– die Auslenkung y (jeweiliger Abstand von der Ruhelage)
– die Amplitude ymax (maximaler Abstand von der Ruhelage)
– die Schwingungsdauer T (Dauer einer vollständigen Hin- und Herbewegung)
– die Frequenz f (Anzahl der Schwingungen je Sekunde)
​ 1T ​ oder T = }
​ 1f ​ Es gilt: f = }
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
lichen grafischen Darstellung ist die oben genannte
Beziehung. Will man vom Experiment her zu dieser
Beziehung kommen, so sind mindestens folgende zusätzliche Schritte erforderlich:
− Es müssen Vermutungen über den Zusammenhang
entwickelt werden.
− Diese Vermutungen müssen durch Rechnung (z. B.
  }
T:​√ l ​ = konstant) oder durch spezielle grafische
Darstellungen erhärtet werden. Das bedeutet ein
  }
Abtragen von T und ​√ l ​ auf den Achsen. Dann ergibt sich in der grafischen Darstellung eine Gerade.
Ein solches Herangehen scheint nur in leistungsstarken Klassen sinnvoll.
− Die Gleichung für die Schwingungsdauer wird vorgegeben und einzelne Zusammenhänge werden im SE
bestätigt.
− Es wird auf der Grundlage von Vermutungen experimentell untersucht, wovon die Schwingungsdauer
noch abhängig sein könnte. Das wären z. B. die maximale Auslenkung und die Masse des Pendelkörpers.
Ähnliche Akzente können auch bei der Erarbeitung
der Schwingungsdauer eines Federschwingers gesetzt
werden. Im LB gibt es unter der Rubrik „Physik-Klick“
(LB S. 14/15) einen Vorschlag zur Darstellung von Messwerten in einem T-m-Diagramm mithilfe eines Computerprogramms.
Auf jeden Fall sollte die Behandlung der Gleichungen für
die Berechnung der Schwingungsdauern von Fadenpendeln und Federschwingern durch SE begleitet werden. Im
LB gibt es dazu unter der Rubrik „Experimente“, S. 24,
geeignete Anleitungen. Die Kenntnisse der Schüler über
Schwingungen werden in den Praktikumsexperimenten
„Das Hemmungspendel“ (LB S. 140) und „Resonanz von
gekoppelten Pendeln“ (LB S. 141) gefestigt, erweitert
und vertieft.
Die Einteilung von Schwingungen nach unterschiedlichen Gesichtspunkten sollte nicht überbetont werden.
Es ist ausreichend, wenn die Schüler einige wenige Unterschiede kennen, so wie sie im TB zusammengestellt sind.
Resonanzerscheinungen kann man in unterschiedlicher
Weise demonstrieren:
a) Es wird die im LB abgebildete Kopplung zweier Fadenpendel gezeigt.
b) Eine Stimmgabel wird angeschlagen und auf einen
Holztisch oder einen Resonanzkasten gestellt.
c) Ein Motor mit Umwucht läuft mit verschiedener Drehzahl. Im Resonanzfall „wandert“ er über den Tisch.
d) Ein langsam laufender Motor mit regelbarer Drehzahl
wird mit einem Federschwinger gekoppelt. Die Drehzahl wird langsam verändert.
Ein spezieller Bereich sind die in der Akustik auftretenden
Schwingungen. Neben den Schallquellen und den typischen Schwingungsformen geht es um die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Größen Frequenz und
Amplitude einerseits und den subjektiven Empfindungen
Tonhöhe und Lautstärke andererseits.
Zur Demonstration des Zusammenhanges zwischen Tonhöhe und Frequenz der Schwingungen eignen sich folgende Experimentieranordnungen:
a) Eine Blattfeder wird in unterschiedlicher Länge über
eine Tischkante gelegt und angeregt. Die unterschiedliche Schnelligkeit der Schwingungen ist ohne
Hilfsmittel sichtbar.
b) Mit verschiedenen Stimmgabeln, Lautsprecher (als
Mikrofon) und Oszillografen kann man demonstrieren: Je höher der Ton, desto größer ist die Anzahl der
Schwingungen.
c) Statt Stimmgabeln wird ein Sinusgenerator veränderbarer Frequenz verwendet.
Zur Demonstration des Zusammenhangs zwischen Lautstärke und Amplitude der Schwingungen eignen sich
auch Hausexperimente.
Im Zusammenhang mit Tonhöhe und Lautstärke empfiehlt es sich, auf den menschlichen Hörbereich einzugehen. Der Frequenzbereich kann mittels Sinusgenerator
und Lautsprecher für die Schüler überzeugend abgegrenzt werden.
Auch auf die Grenzen bezüglich der vom Menschen
wahrnehmbaren Lautstärke sollten die Schüler aufmerksam gemacht werden, wobei diese Grenzen durch die
Hörschwelle (10 –12 W/m2 bei 1 000 Hz) und die Schmerzschwelle (102 W/m2) sowie durch einen Frequenzbereich
gegeben sind. Dabei sollten die Schüler auf die überaus
große individuelle Streubreite hingewiesen werden.
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Mechanische Schwingungen
1. Welche Größen ändern sich bei den skizzierten Schwingern zeitlich periodisch?
a)
b)
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Arbeitsblatt
Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen
c)
2. Die Skizzen zeigen die Schwingungen
eines Federschwingers.
a) Markiere die Ruhelage und die
maximale Auslenkung!
b) Wie groß ist die Schwingungsdauer, wenn der zeitliche Abstand
zwischen zwei Bildern 0,2 s
beträgt?
3. Bestimme aus dem y-t-Diagramm Amplitude,
Schwingungsdauer und Frequenz!
ymax =
T=
y in cm
30
20
10
0
1
2
3
t in s
–10
f=
–20
–30
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
18
Arten von Schwingungen
Schwingungen können nach ihrer Form unterschieden werden.
harmonische (sinusförmige)
Schwingungen
nicht harmonische Schwingungen
y
y
t
t
Beispiel: Fadenpendel
Federschwinger
Beispiel: klirrende Fensterscheibe
Schwingungen können nach der Art des Schwingungsverlaufs
unterschieden werden.
ungedämpfte Schwingung
gedämpfte Schwingungen
y
y
t
t
ymax wird kleiner
ymax = konst.
Die Amplitude bleibt konstant.
Ekin + Etherm
Epot
Die Amplitude geht gegen Null.
Epot
Ekin + Etherm
Ezu
Beispiel: Pendel einer Pendeluhr
Beispiel: einmal angeschlagene
Stimmgabel
Bei jeder Schwingung wandelt sich potenzielle Energie in kinetische
und thermische Energie um. Wird keine Energie zugeführt, so verkleinert sich die Amplitude der Schwingung. Bei periodischer Energiezufuhr (so viel, wie sich pro Schwingung in thermische Energie umwandelt) führt der Körper ungedämpfte Schwingungen aus.
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Tafelbild
Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen
Schall und Schallquellen
Schall wird erzeugt, wenn ein Körper schnell schwingt. Körper, die Schall erzeugen, nennt man
Schallquellen.
schwingende Stäbe oder Platten
schwingende Membranen
schwingende Saiten
schwingende Luftsäulen
Stimmgabel, Xylophon
menschliche Stimme,
Lautsprecher
Gitarre, Klavier
Saxophon, Trompete,
Flöte
Tonhöhe und Lautstärke
Je schneller ein Körper schwingt, d. h. je größer
seine Frequenz ist, umso höher ist der entstehende Ton.
Je stärker ein Körper schwingt, d. h. je größer
seine Amplitude ist, umso lauter ist der entstehende Ton.
y
tiefer Ton
y
t
leiser Ton
y
hoher Ton
Tafelbild
Schwingende Körper (Schallquellen) können sein
t
y
t
lauter Ton
t
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.1.2 Mechanische Wellen
eine mechanische Schwingung im Raum aus, so spricht
man von einer mechanischen Welle.
Im Abschnitt Wellen bestehen die Schwerpunkte darin,
dass die Schüler
− wissen, was man unter einer Welle versteht,
− Größen zur Beschreibung mechanischer Wellen kennen und Wellen damit beschreiben können,
− wesentliche Eigenschaften von Wellen (Reflexion,
Brechung, Beugung, Interferenz) kennen und erfassen, welche Bedeutung diese Eigenschaften in der
Praxis haben.
Ähnlich wie bei den Schwingungen ist es zunächst zu
empfehlen, den Schülern verschiedene mechanische Wellen zu demonstrieren. Dazu eignen sich u. a. folgende
Anordnungen:
− Mit einem an der Wand befestigten Seil können Seilwellen demonstriert werden (s. LB).
− Anhand von gekoppelten Federschwingern oder gekoppelten Fadenpendeln kann man die Ausbreitung
in Schwingungen im Raum zeigen.
− Mithilfe einer Spiralfeder aus Schwedenstahl oder
auch den sehr preiswerten Ausführungen aus Plastik
kann man – analog zu den Seilwellen – sowohl Längswellen als auch Querwellen demonstrieren.
− Eingesetzt werden können auch die unterschiedlichen
Arten von Wellenmaschinen.
Tafelbild
Im Ergebnis dieser Betrachtungen soll den Schülern das
Wesen mechanischer Wellen deutlich werden: Breitet sich
Diese Definition ist für mechanische Wellen ausreichend.
Sie kann auch anders und allgemeiner gefasst werden,
wobei es zu empfehlen ist, die Inhalte der zweiten
Definition anhand eines experimentellen Aufbaus zu
verdeutlichen, damit die Schüler von vornherein mit der
relativ abstrakten Formulierung adäquate Vorstellungen
verbinden.
Gut geeignet dafür sind z. B. gekoppelte Fadenpendel
oder auch eine Wellenmaschine. Es werden Wellen erzeugt und unter zwei Aspekten betrachtet:
a) Betrachtet man einen beliebig ausgewählten Schwinger über eine Zeit lang hinweg, so gilt für den einzelnen Schwinger: Er bewegt sich zeitlich periodisch um
eine Ruhelage.
b) Betrachtet man eine „Momentaufnahme“ aller
Schwinger, also die Schwinger zu einem bestimmten
Zeitpunkt, so gilt: Zu beobachten ist eine räumlich periodische Bewegung um die Ruhelage.
Erst nach diesen Betrachtungen sollte zu der gängigen
Formulierung „Eine Welle ist eine zeitlich und räumlich
periodische Änderung einer physikalischen Größe“ übergegangen werden.
Die Schüler sollten auf folgende Voraussetzungen für das
Entstehen mechanischer Wellen aufmerksam gemacht
werden:
Mechanische Wellen
Beispiele für mechanische Wellen sind Wasserwellen, Schallwellen, Erdbebenwellen, Seilwellen.
Eine mechanische Welle ist die Ausbreitung einer mechanischen Schwingung im Raum.
Nach der Beziehung zwischen Ausbreitungsrichtung und Schwingungsrichtung unterscheidet man
Querwellen und Längswellen.
Querwellen
Längswellen
Schwingungsrichtung
Schwingungsrichtung
Ausbreitungsrichtung
Beispiel: Wasserwellen
Ausbreitungsrichtung
Beispiel: Schallwellen
Mit Wellen wird Energie, aber kein Stoff transportiert.
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Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen
Einige Unterrichtsergebnisse sind im TB zusammengefasst.
Bei der Darstellung von Wellen im Diagramm und bei der
Behandlung von Größen zur Beschreibung mechanischer
Wellen kann unmittelbar an die Behandlung der Schwingungen angeknüpft werden. Besonders deutlich werden
die Zusammenhänge für die Schüler, wenn man ein reales Experiment mit den entsprechenden grafischen Darstellungen in Beziehung setzt, so wie das im LB gemacht
ist. Zur Festigung bietet das LB ein breites Angebot an
Aufgaben und Experimenten an. Genutzt werden können auch die beiliegenden Arbeitsblätter.
Wichtige Eigenschaften mechanischer Wellen sind im LB
in einer Übersicht zusammengefasst. Sie können gut am
Beispiel von Wasserwellen oder von Schallwellen demonstriert werden.
Die Reflexion lässt sich überzeugend mit Schallwellen
zeigen. Anwendungen dazu sind z. B. das Stethoskop,
das Sprachrohr oder das Echo.
Die Demonstration der Brechung mit Wasserwellen erfordert experimentelles Geschick und eine hinreichende
Erprobung, wenn der Effekt für die Schüler überzeugend
sein soll.
Beugung und Interferenz können gut mithilfe eines Wasserwellengeräts demonstriert werden. Besonders überzeugend ist die Interferenz von Wellen für die Schüler
auch, wenn man 2 Lautsprecher im Abstand von ca. 1,5 m
auf einen drehbaren Tisch bringt, beide mit einem Tongenerator verbindet und den Tisch dann langsam dreht.
Für die Schüler sind dann deutlich Gebiete der Verstärkung und der Abschwächung wahrnehmbar.
Bei der Ausbreitung des Schalls sollte man mit Blick auf
den Erfahrungsbereich der Schüler und auf den nachfolgend zu behandelnden Stoff auf drei Sachverhalte eingehen:
− Wenn Schall auf Körper trifft, wird er zum Teil absorbiert (aufgenommen). Wie viel Schall absorbiert wird,
hängt von dem betreffenden Stoff ab. Experimentell
lässt sich dies leicht demonstrieren, wenn man zwischen eine Schallquelle (an Tongenerator angeschlossener Lautsprecher) und die Schüler verschiedene
Stoffe bringt (z. B. Glasplatte, Pappe, dünnen Stoff,
dicke Stoffmatte).
− Wenn Schall auf Körper trifft, wird er zum Teil reflektiert.
Demonstrieren kann man das gut mit dem im LB beschriebenen Versuch.
− Wenn Schall auf Körper trifft, dann geht er teilweise
um diese Körper herum (wird gebeugt). Jeder Schüler
weiß aus der Erfahrung, das man z. B. ein heranfahrendes Auto auch hört, wenn man hinter einer Hausecke steht.
Beschreibung mechanischer Wellen
Bewegung eines Schwingers an einem bestimmten Ort
(s = konstant)
Bewegung der Schwinger zu einen bestimmten
Zeitpunkt
(t = konstant)
Wellenberg
y
y
Tafelbild
− Es müssen schwingungsfähige Körper vorhanden sein.
− Die schwingungsfähigen Körper müssen kräftemäßig
gekoppelt sein.
− Es muss ein Erreger vorhanden sein, damit es überhaupt zu einer Welle kommt.
ymax
ymax
t
s
Wellental
Wellenlänge λ
Schwingungsdauer T
Die Wellenlänge λ gibt den Abstand zweier benachbarter Wellenberge bzw. Wellentäler an.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit v gibt an, wie schnell sich z. B. ein Wellenberg ausbreitet.
Es gilt:
v = λ · f
v Ausbreitungsgeschwindigkeit
λ Wellenlänge
f Frequenz
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Arbeitsblatt
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Mechanische Wellen
1. In den Abbildungen sind Erscheinungen dargestellt. Notiere jeweils, ob es sich um eine mechanische Welle handelt! Begründe deine Aussage!
2. Die folgenden Diagramme beschreiben eine Schallwelle, die von einer Stimmgabel ausgeht.
y in mm
y in mm
2
2
1
1
0
–1
–2
0,0 025
0,005
0
t
in s
–1
43
86
129
–2
s
in cm
Ermittle aus den Diagrammen bzw. durch Berechnung die folgenden Kenngrößen der Welle:
ymax =
T=
λ=
f=
3. Eine Welle hat eine Amplitude von 2 cm, ihre Frequenz beträgt 5 Hz und ihre Wellenlänge 1 m.
Stelle die Welle in einem y-t-Diagramm und in einem y-s-Diagramm dar!
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Eigenschaften mechanischer Wellen
Ergänze die folgende Übersicht zu den Eigenschaften von Wellen!
Vorgang
Bezeichnung und Erläuterung
Reflexion
Wellen werden an einem Hindernis reflektiert.
Dabei gilt das Reflexionsgesetz:
α = α‘
Stoff 1
mit θ1
Beispiele für Auftreten
23
Arbeitsblatt
Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen
Stoff 2
mit θ2
θ1 > θ2
Hindernis
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Die Schüler sollten auch auf die Hörbereiche von Lebewesen aufmerksam gemacht werden. Dazu eignet sich
die beiliegende Kopiervorlage. Wichtig ist dabei eine
klare Unterscheidung zwischen dem Hörbereich und dem
Stimmumfang des betreffenden Lebewesens. Im LB sind
dazu einige Angaben enthalten.
Ein Unterrichtsschwerpunkt sollte der Lärm, Gefahren
durch den Lärm und Lärmbekämpfung sein. Das LB gibt
Anregungen für ein Projekt „Lärm und Lärmschutz“.
Einen Überblick über die verschiedenen Lautstärken gibt
die Kopiervorlage. Aus fachlicher Sicht ist zu beachten:
Lautstärke oder Lautstärkepegel ist eine physiologische
Größe, gemessen in Phon (phon). Die entsprechende physikalische Größe ist der Schallpegel in Dezibel (dB). Für
1 000 Hz stimmen die Zahlenwerke überein, sodass heute
meist nur Werte in dB angegeben werden.
Tafelbild
Bei der Erörterung von Problemen der Lärmvermeidung
und der Lärmbekämpfung sollten die örtlichen Gegebenheiten in den Vordergrund gestellt werden.
Die Schüler sind eindringlich darauf aufmerksam zu machen, dass auch „normaler“ Lärm zu erheblichen längerfristigen gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen
kann.
Aktuelle Informationen zum Thema findet der Lehrer in
der Broschüre „Lärmschutz im Verkehr“ des Bundesministerium für Verkehr.
Zur Festigung und Vertiefung bieten sich weitere Schwerpunkte an, aus denen der Lehrer gemeinsam mit seinen
Schülern auswählen kann.
1. Es werden Anwendungen der Reflexion des Schalls
in den Mittelpunkt gestellt. Dazu gehören z. B. das
Echo, das Echolot und die Werkstoffprüfung, die gut
schülergemäß dargestellt werden können.
2. Es wird auf die Geschichte der Tonaufzeichnung bzw.
Tonwiedergabe eingegangen. Dazu bietet das LB einiges Material. Es kann auch die beiliegende Kopiervorlage genutzt werden.
3. Es wird intensiver auf Musikinstrumente und andere
Möglichkeiten der Erzeugung von Tönen und Klängen eingegangen. Dabei können die Schüler angeregt
werden, sich selbst einfache Anordnungen zu bauen,
mit denen man Töne (Klänge) unterschiedlicher Höhe
erzeugen kann. Verwenden kann man dazu Gläser
oder Flaschen mit unterschiedlicher Füllung oder verschieden lange Metallrohre. Dieser Schwerpunkt lässt
sich problemlos zu einem Projekt ausbauen.
Schallausbreitung
Schall breitet sich in festen Körpern, Flüssigkeiten und Gasen aus.
Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt etwa 333 }
​ m
s ​.
Schall wird
von Stoffen absorbiert
(aufgenommen)
an Körpern reflektiert
(zurückgeworfen)
an Körpern gebeugt
Stoffe lassen nur
einen Teil des Schalls
hindurch.
Einfallswinkel und
Reflexionswinkel sind
gleich groß.
Schall geht auch
„um die Ecke”.
Beispiel:
Schalldämmung
Beispiel:
Echo
Beispiel:
Flüstergewölbe
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Folie
Lernbereich 1: Mechanische Schwingungen und Wellen
Lautstärke von Schallquellen in dB
140
Gehörschädigung, auch bei kurzzeitiger Einwirkung
130
Schmerzgrenze
120
Düsentriebwerk, Donner,
Flugzeugpropeller in geringer Entfernung
110
Diskothek
100
Presslufthammer
90
laute Hupe
80
Straßenlärm mittlerer Stärke, laute Musik im Zimmer
70
Innengeräusche im Pkw bei 100 km/h
60
normale Unterhaltung, Staubsauger
50
Innengeräusche im Pkw im Stand
40
Flüstern, leise Musik
30
ruhiges Zimmer
20
Blätterrauschen, übliche Wohngeräusche
10
Atmen
0
Hörschwelle
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Arbeitsblatt
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Schall und Lärm
1. Schallwellen werden von Schallquellen erzeugt und gelangen in der Regel durch die Luft zu unseren Ohren. Die Skizze zeigt den Aufbau des menschlichen Ohrs.
a) Benenne die wichtigsten Teile des Ohrs!
b) Welches sind die Grenzen unserer akustischen Wahrnehmung?
2. Lärm kann gesundheitsschädlich sein.
a) Welche gesundheitlichen Auswirkungen kann zu starker Lärm haben?
b) Nenne Möglichkeiten, wie du dich vor zu starkem Lärm schützen kannst!
3. Besonders groß ist die Lärmbelastung an stark befahrenen Straßen. Welche Möglichkeiten des
Lärmschutzes gibt es für die Anwohner? Welche Eigenschaften von Schall bzw. von Stoffen werden dabei genutzt?
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Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
4.2 Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
4.2.1 Die Himmelskörper und ihre Eigenschaften
In diesem Lernbereich geht es darum, dass die Schüler
− einen Einblick in die Eigenschaften astronomischer
Objekte und Erscheinungen gewinnen,
− den Aufbau und die Entwicklung unseres Sonnensystems kennen lernen und Eigenschaften von Planeten,
ihren Monden und Ringsystemen, Zwergplaneten sowie von Kleinkörpern beschreiben können,
− Vorstellungen über Größen- und Massenverhältnisse
im Sonnensystem entwickeln,
− Mondphasen und Finsternisse kennen und ihr Zustandekommen erklären können,
− die Sonne als einen typischen Stern begreifen und die
Wirkungen der Sonne auf die Erde erkennen,
− Vorstellungen über großräumige Strukturen im Kosmos entwickeln und Sterne und Sternsysteme in ihrer
Entwicklung verstehen.
Für die Behandlung des Sonnensystems können folgende
Unterrichtsmittel empfohlen werden:
− Computer zur Simulation von Planetenbewegungen
(Astro-Software wird z. B. von der Dr. Vehrenberg KG
angeboten)
− Karte „Nördlicher Sternhimmel“
− Videofilm „Reise durch das Sonnensystem“ (BaaderPlanetarium) oder Video „Das Sonnensystem, unsere
Heimat“ (Dr. Vehrenberg KG)
− Dias mit Aufnahmen von Planeten und ihren Monden
(z. B. Diaserie „Unser Sonnensystem“
− und Diaserie „Das Sonnensystem“, Baader-Planetarium oder Dr. Vehrenberg KG
− Dias zur Sonne (z. B. aus der Serie „Die Sonne“, Baader-Planetarium oder Dr. Vehrenberg KG)
− aktuelle Veröffentlichungen zur Entdeckung von
Zwergplaneten
Zur Behandlung des Monds eignen sich folgende Unterrichtsmittel
− Wandkarte Erdmond
− Mondglobus, Erdglobus
− Tellurium
− lichtstarke Taschenlampe oder Diaprojektor, verschieden große Kugeln (Bälle)
− Videofilm „Reise durch das Sonnensystem“ (BaaderPlanetarium)
− Diaserie „Mondlandungen“ und „Der Mond“ (Baader-Planetarium) sowie „Der Mensch auf dem Mond“
(Dr. Vehrenberg KG)
− Haftoptik
Zur Behandlung der Kleinkörper können folgende Unterrichtsmittel genutzt werden:
− Naturobjekte: Meteorite
− Diaserie „Die Kometen“ und „Die Meteorite“ (Baader-Planetarium) sowie „Komet Halley und andere
Kometen“ (Dr. Vehrenberg KG)
− Videofilmsequenzen zum Planetensystem und über
die mögliche kosmische Katastrophe vor 65 Millionen
Jahren (Sauriersterben)
− Anschauungstafeln zu Kometen und Meteoriten
Bei der Behandlung der Sternsysteme können folgende
Unterrichtsmittel empfohlen werden:
− Dias von Gas- und Staubnebeln, offenen Sternhaufen,
Kugelhaufen, verschiedenen Galaxien (z. B. aus den
Reihen „Sterne und Galaxien I und II“ und „Farbiges
Universum“ (Baader-Planetarium) oder „Farbiges Universum“ und „Celestron-Serie“ (Dr. Vehrenberg KG).
− Beeindruckende Aufnahmen befinden sich auf der
Homepage des Hubble-Teleskops: www.stsci.edu.
− Videofilm „Prachtvolle Strukturen im Kosmos“ (Teil 6
der Videoserie „Eine galaktische Odyssee“, Dr. Vehrenberg KG)
Es ist empfehlenswert, mit einem Überblick über den
Kosmos zu beginnen. Das LB gibt dazu Anregungen. Erfahrungsgemäß fällt es den Schülern sehr schwer, sich
den Aufbau und die kosmischen Entfernungen innerhalb
des Sonnensystems vorzustellen. Hilfreich als Vergleichsmaßstab für Entfernungsangaben ist die Astronomische
Einheit. Im LB wurde der Versuch unternommen, drei verschiedene Bereiche des Sonnensystems mithilfe von Vielfachen der Astronomischen Einheit anzugeben.
Um Vorstellungen von Radien und Massen im Sonnensystem zu entwickeln, sollten Vergleiche herangezogen
werden.
Bei der Behandlung der Planeten geht es vor allem
darum, ihre typischen Eigenschaften herauszustellen.
Das führt zu einer Einteilung in erdähnliche und jupiterähnliche Planeten. In der Kopiervorlage werden wichtige
Eigenschaften der Planeten wie Aufbau, Radius, Masse,
Dichte, Oberfläche, stofflicher Aufbau sowie Monde und
Ringsysteme miteinander verglichen.
Pluto und Eris, die sich im Kuiper-Gürtel befinden, bilden mit Ceres aus dem Planetoidengürtel die Gruppe der
Zwergplaneten.
Bei der Vermittlung von Kenntnissen über den Mond
sollten sehr häufig Vergleiche zur Erde gezogen werden
(physikalische Verhältnisse, Atmosphäre, Oberfläche, Bewegungen usw.), um einerseits das Wissen zur Erde als
Himmelskörper zu festigen und andererseits Vorstellungen über Bewegung und Physik des Monds zu vermitteln.
Eine enge Verknüpfung von Unterricht und eigener Beobachtungstätigkeit der Schüler sollte selbstverständlich
sein.
Bei der Behandlung des Erdmonds kommt es u. a. darauf
an, dass die Schüler
− den Mond räumlich und größenmäßig in das Planetensystem einordnen können,
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
28
Die Planeten unseres Sonnensystems
Erdähnliche Planeten
Merkur
Venus
Erde
Mars
Jupiterähnliche Planeten
Jupiter
Saturn
Uranus
Neptun
Physikalische Eigenschaften
Eigenschaft Erdähnliche Planeten
Jupiterähnliche Planeten
Aufbau
Jupiter
Erde
D
D
A
0
C
B
2 000
A
4 000
6 000
0
C
B
20 000
40 000
60 000
r in km
r in km
A … fester Kern
B … flüssiger Kern
C … plastischer Mantel
D … feste Kruste
A … fester Kern
B … metallischer Wasserstoff
C … flüssiger Wasserstoff
D … Atmosphäre
Radius
2 440 … 6 378 km
24 800 … 71 825 km
Masse
0,34 · 1024 … 5,97 · 1024 kg
87 · 1024 … 1 900 · 1024 kg
Dichte
3,93 … 5,52 g · cm–3
0,69 … 1,65 g · cm–3
Oberfläche
fest
gasförmig
Stofflicher
Aufbau
Eisen, schwere Oxide,
Silikate
Wasserstoff, Helium
Monde und maximal 2 Monde
Ringsyskein Ringsystem
teme
bis 18 Monde
Ringsysteme vorhanden
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Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
− den Mond als einen Vertreter einer großen Gruppe
von Himmelskörpern im Planetensystem begreifen,
− die Bewegungen des Monds beschreiben können,
− die Mondphasen und die Finsternisarten (Sonnenfinsternis, Mondfinsternis) kennen und ihr Zustandekommen erklären können,
− Wissen über die Physik des Monds sowie über einige
wichtige Oberflächenformen erwerben,
− Vorstellungen über das Zustandekommen von Ebbe
und Flut auf der Erde bekommen.
O
W
Zur Verdeutlichung der Entstehung der Mondphasen
kann in einem etwas abgedunkelten Raum eine lichtstarke Taschenlampe oder ein Diaprojektor genutzt werden, mit der der Erdglobus und ein in der Größe dazu
passender Ball (Mond) bestrahlt wird.
− Der zunehmende Mond steht links (östlich) von der
Sonne, er geht daher nach ihr unter und ist demzufolge am Nachmittag und Abend am westlichen Himmel zu sehen (Dauer in Abhängigkeit von der Größe
des Winkels).
− Der abnehmende Mond steht rechts (westlich) von der
Sonne, er geht vor ihr unter und vor ihr auf, demzufolge ist er am Morgen bzw. Vormittag am östlichen
Himmel zu sehen.
− Der Vollmond steht der Sonne genau gegenüber, er
geht daher auf, wenn die Sonne untergeht und umgekehrt. Demzufolge ist er die ganze Nacht zu sehen.
− Bei Neumond steht der Mond in der gleichen Richtung wie die Sonne, er wird daher von ihr überstrahlt
und ist gar nicht zu beobachten.
Durch Drehen des gesamten Winkels (beider Streifen)
über dem Horizont von Ost nach West (als Folge der Erdrotation) erkennt der Schüler:
Das Ergebnis der Betrachtungen kann in einer Übersicht
als Tafelbild zusammengefasst werden, das parallel zur
Erarbeitung entwickelt wird (s. S. 30, oben).
Folie
Ein deutlich kleineres Bild ergibt sich beim Einsatz des
Telluriums. Die Abfolge der Mondphasen in Verbindung
mit der Zeit ihrer Sichtbarkeit lassen sich mit einer Folie
(s. rechts oben) verdeutlichen, deren Grundblatt wegen
seiner Einfachheit an mehreren Stellen des Unterrichts
einsetzbar ist, beispielsweise beim Thema Planetenbewegung oder bei der scheinbaren täglichen Bewegung
der Sterne. Das trifft auch für die beiden Folienstreifen
mit unterschiedlich dargestellten (aufgeklebten oder
aufgemalten) Symbolen zu. Die beiden Streifen werden
so um einen Punkt (Druckknopf) gedreht, dass sie unterschiedliche Stellungen des Monds und der Sonne über
dem Horizont markieren. Ihr Winkelabstand entspricht
jeweils dem in der entsprechenden Lehrbuchabbildung
vom Umlauf des Monds und seinen Phasen.
O
W
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Tafelbild
30
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Phasen und Sichtbarkeit des Monds
Mondphasen
scheinbare Position zur Sonne
Wann zu sehen?
Wo zu sehen?
zunehmend
östlich (links)
nachmittags, abends
Westhimmel
Vollmond
gegenüber
ganze Nacht
Ost-Süd-West
abnehmend
westlich (rechts)
morgens, vormittags
Osthimmel
Neumond
gleiche Richtung
gar nicht
–
Zur Demonstration der Finsternisse bietet sich die Haftoptik oder das Tellurium an. Genutzt werden kann auch
ein Overheadprojektor. Dabei ist zu beachten, dass bei
solchen Demonstrationen und auch bei entsprechenden
Skizzen für die Schüler nicht ohne weiteres einsehbar ist,
dass es z. B. nicht bei jedem Mondumlauf zu einer Verfinsterung kommt.
Das kann nur dann geschehen, wenn sich der Mond in
der Nähe von einem der Schnittpunkte der beiden Bahnebenen (Knotenpunkte) befindet.
Zusammenfassend bietet sich ein Vergleich der Finsternisse im Tafelbild an.
Die physikalischen Eigenschaften des Monds lassen sich
gut mit faszinierenden Bildern (Videofilm oder Dias) einleiten.
Tafelbild
Um die tatsächlichen räumlichen Verhältnisse und Größen
zu verdeutlichen, kann man von der Größe der Erdkugel
im Schultellurium ausgehen: Bei einem Durchmesser der
Erde von 13 cm und dem zugehörigen Mond (Tischtennisball) müsste der Mond die Erde in einer Entfernung
von etwa vier Metern umlaufen. Die Sonne hätte einen
Durchmesser von vierzehn Metern und befände sich in
einer Entfernung von etwa 1,5 Kilometern. Wegen der
Neigung der Mondbahnebene zur Erdbahnebene berührt der Mond den Erdschatten zumeist nicht, wird also
auch nicht verfinstert.
Es bieten sich ständige Vergleiche mit der Erde an, die
in einem Arbeitsblatt zusammengefasst werden können.
Dieses Arbeitsblatt sollten die Schüler selbst ergänzen.
Mithilfe der im Arbeitsblatt enthaltenen Daten sollen die
Schüler erfassen, wie sich aus den Massen- und Größenunterschieden von Erde und Mond unterschiedliche physikalische Verhältnisse ergeben.
Sonnen- und Mondfinsternis
Sonnenfinsternis
Reihenfolge der Himmelskörper
Mondfinsternis
M
S
M
E
S
E
Mondphase
Neumond
Vollmond
Häufigkeit an einem
bestimmten Ort
relativ selten
relativ oft
Dauer
bis 7,6 min totale Finsternis
bis 100 min totale Finsternis
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Arbeitsblatt
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Erde und Mond
Die Tabelle enthält wichtige Angaben zu Bewegungen und Eigenschaften von Erde und Mond.
Vergleiche die Angaben von Erde und Mond und ergänze die rechte Spalte!
Bewegungen von Erde und Mond
Erde
Mond
Rotationsdauer T
1 Tag
1 Monat
Zentralkörper
Sonne
Erde
Umlaufzeit Tu um den Zentralkörper
1 Jahr
1 Monat
mittlere Bahn-
geschwindigkeit v
29,8 km · s–1
1,02 km · s–1
Vergleich Erde – Mond
Eigenschaften von Erde und Mond
Erde
Mond
mittlerer Radius r
6 371 km
1 738 km
Masse m
5,98 ∙ 1024 kg
7,35 ∙ 1022 kg
Volumen V
1,1 ∙ 1021 m3
2,2 ∙ 1019 m3
mittlere Dichte ρ
5,52 g · cm–3
3,34 g · cm–3
Oberflächen-
temperatur T
– 88 °C … + 60 °C
Tagseite: +130 °C
Nachtseite: –140 °C
mittlere Fall-
beschleunigung g
9,81 m · s–2
1,62 m · s–2
minimale Kreisbahngeschwindigkeit vK
7,9 km · s–1
1,67 km · s–1
Fluchtgeschwindig-
keit vF
11,2 km · s–1
2,38 km · s–1
Atmosphäre
vorhanden
nicht vorhanden
Vergleich Erde – Mond
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Arbeitsblatt
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Erde und Mond (Lösungen)
Die Tabelle enthält wichtige Angaben zu Bewegungen und Eigenschaften von Erde und Mond.
Vergleiche die Angaben von Erde und Mond und ergänze die rechte Spalte!
Bewegungen von Erde und Mond
Erde
Mond
Vergleich Erde – Mond
Rotationsdauer T
1 Tag
1 Monat
Rotationsdauer der
Erde ist wesentlich
kleiner als die des
Monds
Zentralkörper
Sonne
Erde
–
Umlaufzeit Tu um den Zentralkörper
1 Jahr
1 Monat
Umlaufzeit der Erde ist
wesentlich größer als
die des Monds
mittlere Bahn-
geschwindigkeit v
29,8 km · s–1
1,02 km · s–1
vE ≈ 29 ∙ vM
Eigenschaften von Erde und Mond
Erde
Mond
Vergleich Erde – Mond
mittlerer Radius r
6 371 km
1 738 km
rE ≈ 4 ∙ rM
Masse m
5,98 ∙ 1024 kg
7,35 ∙ 1022 kg
mE ≈ 81 ∙ mM
Volumen V
1,1 ∙ 1021 m3
2,2 ∙ 1019 m3
VE ≈ 50 VM
mittlere Dichte ρ
5,52 g · cm–3
3,34 g · cm–3
ρE ≈ 1,5 ρM
Oberflächen-
temperatur T
– 88 °C … + 60 °C
Tagseite: +130 °C
Nachtseite: –140 °C
Auf dem Mond wesentlich größere
Schwankungen
mittlere Fall-
beschleunigung g
9,81 m · s–2
1,62 m · s–2
gE ≈ 6 ∙ gM
minimale Kreisbahngeschwindigkeit vK
7,9 km · s–1
1,67 km · s–1
vK, E ≈ 5 ∙ vK, M
Fluchtgeschwindig-
keit vF
11,2 km · s–1
2,38 km · s–1
vF, E ≈ 5 ∙ vK, M
Atmosphäre
vorhanden
nicht vorhanden
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Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Der Schüler erfährt, dass die Anzahl der Kleinkörper nicht
exakt angegeben werden kann. Die Entdeckung dieser
Himmelskörper steht im engen Zusammenhang mit der
Leistungsstärke der zur Beobachtung benutzten astronomischen Geräte.
Eine für den Unterricht zu beachtende Besonderheit besteht darin, dass die Kleinkörper, speziell die Meteorite,
die einzige kosmische Materie sind, die der Astronom in
einem irdischen Labor direkt untersuchen kann, wenn
man das Mondmaterial, das der Mensch mithilfe der
Raumfahrt zur Erde gebracht hat, ausnimmt.
Um das Interesse der Schüler zu wecken, sollte ein Einstieg gewählt werden, der nach Möglichkeit von aktuellen oder örtlichen Ereignissen ausgeht, so zum Beispiel
von Zeitungsartikeln über die Annäherung von Planetoiden an die Erde, von neu entdeckten oder wiederbeobachteten Kometen, von gesehenen Meteoren oder von
einem registrierten Meteoritenfall in der Umgebung.
Dabei können die Schüler mit in den Unterrichtsprozess
einbezogen werden, indem sie Informationen zu dieser
Thematik aus ihrer Umwelt einholen, zum Beispiel:
− Meteoritenfälle in der Umgebung,
− Aussagen von Kometenbeobachtern,
− Existenz von Meteoritenmuseen,
− Aussagen zu besonders intensiven Meteorschauern.
Die Schüler könnten diese Aussagen sammeln und ihre
Meinungen dazu äußern. Die Strukturierung der Erkenntnisse unterstützt eine Kopiervorlage.
Unsere Kenntnisse über die Sonne sind viel umfassender
als die über die anderen Sterne, da wir die Sonne auf
Grund ihrer relativ geringen Entfernung von der Erde
weitaus leichter und genauer untersuchen können als andere Sterne. Viele Erscheinungen können auf der Sonne
direkt beobachtet werden (zum Beispiel die Struktur der
Sonnenoberfläche), bei anderen Sternen aber nur indirekt. Unser heutiger Wissensstand und unsere Ansichten
von der Sonne beruhen sowohl auf Beobachtungen als
auch auf theoretischen Überlegungen.
Die physikalischen Eigenschaften der Sonne sind in der
Kopiervorlage zusammengestellt worden.
Bei der Behandlung der Physik der Sonne sind unterschiedliche didaktische Konzeptionen möglich:
Zum einen kann, ausgehend von beobachtbaren Erscheinungen (Sonnenflecken, Sonnenstrahlung und ihre Wirkungen) übergegangen werden zu Aufbau, Zustandsgrößen und Energiefreisetzung auf der Sonne. Zum anderen
kann vom Aufbau der Sonne ausgegangen werden.
In welcher Ausführlichkeit auf den Proton-Proton-Zyklus
eingegangen wird, hängt wesentlich von der Klassensituation ab. Stark vereinfacht lassen sich die Vorgänge in
einem Tafelbild zusammenfassen.
Eigenschaften der Sonne
Masse
m = 1,989 ∙ 1030 kg
Radius
R = 6,960 ∙ 108 m
mittlere Dichte
} ​ρ ​
Dichte im Zentrum
ρZ = 1,6 ∙ 105 kg ∙ m–3
Leuchtkraft
L = 3,8 ∙ 1026 W
effektive Temperatur
Te = 5 785 K
Temperatur im Zentrum
TZ ≈ 1,5 ∙ 107 K
chemische Zusammensetzung
an der Oberfläche
73 % Wasserstoff, 25 % Helium,
2 % übrige Elemente
Rotationsdauer
25 d
29 d
am Äquator
bei 60°
Folie
Bei der Behandlung der Kleinkörper sollen die Schüler erfassen, dass unser Sonnensystem nicht nur aus den großen
Planeten und ihren Monden besteht, sondern dass auch
viele kleinere Himmelskörper zu ihm gehören. Nach heutigen Kenntnissen gibt es zwischen den einzelnen Gruppen der Kleinkörper fließende Übergänge. Trotzdem ist
es notwendig, die drei wesentlichen Arten (Planetoiden,
Kometen, Meteoriten) deutlich zu unterscheiden.
= 1,409 ∙ 103 kg ∙ m–3
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punktförmiges Objekt
in großen Fernrohren
Koma Kern Schweif
Meteorite, die
hauptsächlich
aus Silikatgesteinen
bestehen
Steinmeteorite
strichförmige Meteorspuren
bis zu Feuerkugeln
Meteorite, die aus
90 % Eisen
und 9 % Nickel
bestehen
Wiederkehr nicht
berechenbar
(parabolische Bahnen
möglich)
mit gewisser Regelmäßigkeit
von der Erde aus zu beobachtende Kometen
(elliptische Umlaufbahnen)
in Sonnennähe
Eisenmeteorite
kleine Himmelskörper, die in
die Erdatmosphäre eindringen
und auf die Oberfläche fallen
Meteorite
nichtperiodische Kometen
kleine, aus Gesteinstrümmern mit
gefrorenem Wasser, Ammoniak und
Methan bestehende Himmelskörper
Kometen
periodische Kometen
kleine planetenartige
Himmelskörper
Planetoiden
Kleinkörper des Planetensystems
Folie
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
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Tafelbild
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Energiefreisetzung in der Sonne
Sonneninneres: Dichte im Zentrum ρZ = 160 g · cm–3
Temperatur im Zentrum TZ ≈ 15 · 106 K
Wasserstoffkerne haben große kinetische Energie g nähern sich stark g überwinden Abstoßungskräfte und vereinigen sich
4 H g He + ∆m (Energie)
6,69 056 · 10–27 kg g 6,64 476 · 10–27 kg + 0,04 580 · 10–27 kg
In 1 Sekunde reagieren:
567 · 106 t H g 562,8 · 106 t He + 4,2 · 106 t (Energie)
Folgerungen:
– Die Masse der Sonne verringert sich in 1 Sekunde um etwa 4,2 Mill. Tonnen.
– Die Sonne verändert ihre Zusammensetzung (Heliumanteil steigt).
– Der Anteil an Helium zeigt das Alter der Sonne (5 Milliarden Jahre, etwa 1/3 des Wasserstoffs
verbraucht).
Neben dem Zentralgebiet als dem Bereich der Energiefreisetzung sollten die Schüler eine Vorstellung über
Fotosphäre, Chromosphäre und Korona gewinnen.
Die Ergebnisse der Betrachtungen können in einem Tafelbild zusammengefasst werden. Erscheinungen der
Sonnenaktivität lassen sich eindrucksvoll mithilfe des eingangs genannten Videofilms oder durch Dias belegen.
Im Unterricht sollte auf jeden Fall das überaus aktuelle
Problem der Gefährdung unserer Atmosphäre durch
den Menschen und die sich möglicherweise daraus ergebenden Konsequenzen diskutiert werden. Dies kann
auch auf der Grundlage eines längerfristig vorbereiteten
Schülervortrags bzw. aktueller Materialien geschehen.
Mit der Behandlung von Sternsystemen (Milchstraßensystem und andere Galaxien) wird der Aufbau des astronomischen Weltbilds abgerundet. Die Ausdehnung
der Betrachtungen auf den gesamten Kosmos soll den
Tafelbild
Als wichtige Erkenntnis sollte deutlich herausgestellt
werden: Die Sonne verändert ihre chemische Zusammensetzung und verliert Masse. Sie entwickelt sich. Bei
der enormen Sonnenmasse von ca. 330 000 Erdmassen
entspricht ihr Masseverlust während der gesamten Lebensdauer auf der Hauptreihe weniger als 1 % ihrer ursprünglichen Masse.
Aufbau der Sonne
Photosphäre
Korona
Photosphäre:
sichtbare Oberfläche der Sonne
300 – 500 km dick
körnige Struktur (Granulation)
Chromosphäre: 10 000 km dick
Korona:
Übergang in den interplanetaren Raum
Chromosphäre
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Schülern Vorstellungen darüber vermitteln, dass großräumige Strukturen existieren und unser Planetensystem
ein winziger Teil der inzwischen bekannten Strukturen
ist. Einige Hinweise auf die Entwicklung des Weltalls als
Ganzes sollten nicht fehlen.
Die Milchstraße bietet einem fernen Beobachter den Anblick einer flachen, diskusförmigen Scheibe, in der sich
Spiralarme ausgebildet haben. Nach neueren Erkenntnissen ist die Scheibe der Milchstraße an einigen Stellen
merklich verformt. Sie rotiert um ihr Zentrum. Zur Verdeutlichung des Aufbaus der Milchstraße eignet sich eine
Übersicht (s. S. 37), die als Folie genutzt werden kann,
aber einer gründlichen Erläuterung bedarf. Zu den fünf
dargestellten Bereichen sind folgende Hinweise zweckmäßig:
Bereich 1:
In der Scheibenebene der Milchstraße konzentrieren sich
Gas- und Staubnebel sowie Sterne. Aus den Nebeln entstehen ständig neue, leuchtkräftige Sterne, die meist in
offenen Sternhaufen konzentriert sind, welche sich durch
die Einwirkung der Umgebung allmählich auflösen. Die
Spiralarme sind Regionen, in denen sehr viele leuchtkräftige Sterne konzentriert sind. Die Gebiete zwischen den
Spiralarmen sind nicht sternenleer. Vielmehr befinden
sich dort ältere und weniger leuchtkräftige Objekte, die
durch ihre geringere Strahlungsleistung einem Beobachter auch weniger auffallen.
Bereich 2:
Der Blick (von der Erde) auf das Zentrum der Milchstraße
ist durch interstellare Gas- und Staubwolken verdeckt.
Mit Hilfe der Radio- und Infrarotastronomie konnte man
in den letzten Jahrzehnten dennoch verschiedene Erkenntnisse über seine Struktur gewinnen:
Der zentrale Bereich der Milchstraße besitzt einen Radius
von etwa 5 000 pc. Er hat die Gestalt einer leicht abgeplatteten Kugel und ist von einem Ring interstellarer Wolken
umgeben. In ihm befinden sich sehr viele ältere Sterne,
die zum Mittelpunkt hin extrem konzentriert sind. In
einem Radius von wenigen Parsec um den galaktischen
Kern befinden sich viele Millionen Sterne, die vermutlich
mit extremen Rotationsgeschwindigkeiten um das Zentrum kreisen. Eine solche Rotationsbewegung wurde an
Gaswolken nachgewiesen, die sich zwischen diesen Sternen befinden. Im Kern der Milchstraße befindet sich eine
starke Quelle elektromagnetischer Strahlung. Diese Tatsache führt in Verbindung mit der festgestellten Rotationsbewegung zu der Vermutung, dass ein kleines Objekt
mit mehreren Millionen Sonnenmassen das Gravitationszentrum unseres Sternsystems darstellt. Viele Forscher
vermuten in diesem Objekt ein schwarzes Loch.
Bereich 3:
Sehr alte Objekte, die vielleicht entstanden sind, noch
bevor sich die Materie, aus der sich einst die Milchstraße
gebildet hat, in der Scheibenebene anordnen konnte. So
wäre zu erklären, warum die Kugelsternhaufen sphärisch
um die Milchstraßenebene angeordnet sind.
Bereich 4:
Wäre die gesamte Masse der Milchstraße weitgehend in
ihrem Zentrum konzentriert, dann müssten sich die weiter entfernten Sterne auf Bahnen bewegen, die durch die
keplerschen Gesetze beschrieben werden. Man beobachtet jedoch ein solches Verhalten nicht und vermutet deshalb, dass die Materie unserer Galaxis über einen großen
Raumbereich auch außerhalb der Milchstraßenscheibe
verteilt ist. Da diese Materie nicht leuchtet, kann sie auch
nicht direkt beobachtet werden. Deshalb lassen sich derzeit auch keine verlässlichen Aussagen über ihren physikalischen Zustand treffen.
Bereich 5:
Unsere Milchstraße übt eine starke Anziehungskraft aus.
Deshalb befinden sich in ihrer Nähe einige kleine Begleitergalaxien, die gravitativ an sie gebunden sind.
Abschließend kann eine Systematisierung vorgenommen
werden, bei der der Entwicklungsgedanke genutzt werden sollte, der auch bei Sternen eine Rolle spielt:
interstellare Materie in der
Scheibenebene der Milchstraße
konzentriert
verdichtet sich
zu Gas- und Staubnebeln
aus diesen Nebeln entstehen ständig
neue leuchtkräftige Sterne,
vorzugsweise in offenen Sternhaufen
offene Sternhaufen lösen sich
nach der Sternentstehung auf
Spiralarme der Milchstraße bestehen
aus jungen leuchtkräftigen Sternen
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Aufbau der Milchstraße
4
1
37
Folie
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
3
2
Sonne
5
Spiralarm
Gas- und Staubnebel mit entstehenden Sternen
junge offene Sternhaufen
1
galaktischer Kern
2
schwarzes Loch
Kugelsternhaufen (sehr alte Objekte)
3
4
5
?
galaktische Korona
Gas – ausgebrannte Sterne?
kleine Begleitergalaxis
(z. B. Magellansche Wolken)
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.2.2 Bewegung und Ordnung im Kosmos
Eine Orientierung am Sternenhimmel und die Entwicklung von räumlichen Vorstellungen über Stellung und
Bewegung von Himmelskörpern sind grundlegend für
alle weiteren Betrachtungen.
Viele Inhalte, die sich auf eine geozentrische Position im
Weltall beziehen (z. B. scheinbare Bewegungen der Planeten, der Satelliten, der Kleinkörper) sind nur verständlich, wenn man Kenntnisse über die Stellung des Planeten Erde im Weltraum und auch seiner Bewegungen
hat. Letztere sind von fundamentaler Bedeutung für das
Verstehen der wirklichen Abläufe am Himmel und ihrer
Widerspiegelung für uns. Hier wird dem Schüler erstmals
klar, dass die beobachtbaren Bewegungen der Himmelskörper nur scheinbar sind, aus ihnen aber die wirklichen,
wahren Bewegungen abgeleitet werden können. Es
sollte daher in diesem Lernbereich sehr viel Wert auf Anschaulichkeit der Darstellung gelegt werden.
Bei der Behandlung von Sternbildern können Erkenntnisse über die Erdbewegungen (z. B. Sternbilder der Jahreszeiten, zirkumpolare Sternbilder) vertieft werden.
Darüber hinaus hat die Betrachtung der Sternbilder vor
allem auch illustrierende Funktion mit teilweise deutlich
emotionaler Komponente. Ideal ist eine unmittelbare Verknüpfung von unterrichtlicher Behandlung und Himmelsbeobachtung. Dies wird sich jedoch nicht immer realisieren lassen. Eingeplant werden sollte aber auf jeden Fall
der Besuch eines Planetariums. Unter der Internetadresse
www.sn.schule.de/~astrosachsen findet man interessante
Informationen über die Region, u. a. auch ein Verzeichnis.
Die zu erreichenden Unterrichtsziele könnten darin bestehen, dass die Schüler
− erkennen, dass sich die scheinbare Zentralstellung der
Erde, wie sie sich aus der Beobachtung heraus ergibt,
aus den Bewegungen der Erde erklärt,
− erkennen, dass sich aus dieser Tatsache keine Sonderstellung der Erde als Objekt im Weltall ableiten
lässt, aber der Erde dadurch besondere Bedeutung
zukommt,
a) weil sie unser Beobachtungsstandort ist und sich
daraus viele beobachtbare Bewegungen anderer
Himmelskörper ergeben,
b) weil sie der einzige Himmelskörper ist, auf dem
nach dem heutigen Stand der Erkenntnisse Leben
existiert,
− erfassen, wie sich die Erde bewegt (Rotation, Umlauf
der Erde) und welche Konsequenzen das für die Beobachtung anderer Himmelskörper hat,
− über grundlegende Kenntnisse über die Zusammenhänge zwischen astronomischen und geografischen
Sachverhalten (Umlauf der Erde und Schiefe der
Ekliptik – Jahreszeiten, Beleuchtungszonen, Zeiteinteilung, Kalender) verfügen,
− erkennen, dass Sternbilder Menschenwerk sind, sie
sich gut zur Groborientierung am Himmel eignen,
aber keine physikalisch zusammenhängenden Gebilde sind, daher auch kein Einfluss auf Charakter und
Schicksal des Menschen nachweisbar ist,
− den Zusammenhang zwischen dem Umlauf der Erde
und der scheinbaren Jahresbahn der Sonne sowie der
Gruppierung der Sternbilder nach den Jahreszeiten
kennen,
− einige wichtige Sternbilder kennen, den Polarstern
und einige bekannte Sternbilder am Himmel aufsuchen und mithilfe des Polarsterns den Nordpunkt des
Horizonts bestimmen können,
− grundlegende Gesetze der Planetenbewegung (keplersche Gesetze) kennen und die Strukturbildung
durch Gravitation auf die Entstehung des Sonnensystems anwenden können,
− einen Einblick in die Wandlung unserer Weltsicht vom
Altertum bis zur Gegenwart gewinnen.
Empfehlungen für Unterrichtsmittel
− Tellurium
− Wandkarte „Nördlicher Sternhimmel“
− Erdglobus – Himmelsglobus
− Karte „Das Sonnensystem“
− selbstgefertigte Dias mit Sternspuren
− Computer zur Simulation von Planetenbewegungen
(Astro-Software wird z. B. von der Dr. Vehrenberg KG
angeboten)
− Demonstrationsgerät zur Abplattung rotierender
Körper
Zur Durchführung von Beobachtungen können neben dem
Schulfernrohr folgende Hilfsmittel eingesetzt werden:
− Stabtaschenlampe (eignet sich gut als „Zeigestock“
am Himmel)
− Aus einem Tafelwinkelmesser wird durch wenige
Handgriffe ein Gerät zur Bestimmung von Gestirnshöhen, auch „Pendelquadrant“genannt (s. Skizze, S. 39)
− Aus einer Holzleiste, einigen Nägeln und einer Schnur
(s. Skizze, S. 39) wird auf einfache Weise ein Gerät zum
Messen von Gestirnsabständen („Himmelsharke“).
Ausgangspunkt aller Betrachtungen sollten einige Phänomene sein:
− Bei der Beobachtung des nächtlichen Himmels sehen
wir bei klarem Himmel eine faszinierende Vielzahl
von Sternen. Mit bloßem Auge können wir ca. 3 000
Sterne wahrnehmen. Betrachten wir den Himmel
in einer bestimmten Richtung zu unterschiedlichen
Zeiten, so bietet er auch einen unterschiedlichen Anblick. Dies kann durch einige Dias belegt werden.
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Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Visierlinie
Pendelquadrant
Auge
des Beobachters
Pendel
Bei l = 57 cm
entspricht
ein Nagelabstand
von 1 cm einem Winkel
von 1°.
l
Auge
− Bekannt ist den Schülern der tägliche Lauf der Sonne
sowie die relativ schnelle Änderung der Position des
Monds am Himmel, vielleicht auch die Tatsache, dass
bestimmte Planeten oder Sterne manchmal für uns
sichtbar sind und manchmal nicht. Bekannt ist ihnen
auch der Wechsel der Jahreszeiten und die Existenz
verschiedener Klimazonen.
Von diesen Phänomenen ausgehend können gemeinsam
mit den Schülern einige Fragen entwickelt werden, deren
Beantwortung im Mittelpunkt des nachfolgenden Unterrichts steht:
− Wie können wir uns am Himmel orientieren? Wie
können wir die Position eines Sterns bestimmen?
− Mit welchen Erscheinungen ist die tägliche Drehung
der Erde um ihre Achse (Rotation) verbunden?
− Welche Folgerungen ergeben sich für uns auf der
Erde und für astronomische Beobachtungen aus dem
jährlichen Umlauf der Erde um die Sonne?
Die Orientierung am Sternenhimmel sollte mit den bekannten Sternbildern Großer Bär und Kleiner Bär begonnen werden, wobei die hellsten Sterne des Großen Bären
auch als Großer Wagen bezeichnet werden. Um Missverständnisse zu vermeiden, sollte mit den Schülern eine Vereinbarung über die zu verwendende Terminologie getroffen werden. In der Literatur und auf Sternkarten findet
man sowohl die eine als auch die andere Bezeichnung.
In Heranführung an den Begriff Himmelskugel eignet
sich ein historischer Einstieg:
Im Altertum galt die Annahme, dass das Weltall durch
eine endliche kugelförmige Hülle begrenzt ist. Dies entspricht ja auch heute noch der unmittelbaren Anschauung. Die Sterne erscheinen alle gleich weit entfernt und
an dieser Hülle befestigt. In vielerlei Hinsicht ist dieses
stark vereinfachte Modell auch heute noch brauchbar. Es
hilft uns, die scheinbare tägliche und jährliche Bewegung
der Sterne zu verstehen. Der Radius dieser Himmelskugel
sei praktisch unendlich und wir deren Mittelpunkt. Die
wichtigsten Linien und Punkte der Himmelskugel sind
auf der Grund- und Deckfolie enthalten (s. S. 40), die auch
als Teil eines Arbeitsblatts genutzt werden kann. Für die
Darstellung der Linien und Punkte an der Himmelskugel
sowie die Erörterung der wahren und scheinbaren Bewegung der Himmelsobjekte können die Kopierfolien genutzt werden (s. S. 41, 42). Sie geben jeweils die Sicht des
erdgebundenen Beobachters wieder, der alle Abläufe
als Projektion an der scheinbaren Himmelskugel wahrnimmt.
Zur Darstellung der Koordinatensysteme sind zwei Varianten gebräuchlich:
− der Anblick von „außen“ und
− der Anblick vom Beobachter aus.
Schüler können sich erfahrungsgemäß leichter die Koordinaten in der Darstellung vom Beobachter aus vorstellen. Dieser Variante sollte daher im Unterricht der Vorrang gegeben werden.
Aus der Diskussion der Bahn der Sonne zu Herbstanfang
bzw. der Lage des Horizonts für verschiedene Punkte der
Erdoberfläche wird die Abhängigkeit der Koordinaten
Azimut bzw. Höhe von der Beobachtungszeit und von
dem Beobachtungsort abgeleitet.
Bei der Behandlung der täglichen Bewegung der Erde
sollte der Begriff Rotation in den Vordergrund gestellt
werden, um sich deutlich vom Begriff Umlauf der Erde
abzuheben und um unklare Vorstellungen der Schüler
nicht zu befördern.
Recht häufig begegnet man in Schüleraussagen solchen
verwaschenen Formulierungen wie „Die Erde dreht sich“
(Welche Drehung ist gemeint?) oder „Die Erde dreht sich
um die Sonne“ (Welche Vorstellung verbirgt sich dahinter?). Auf die Frage nach der Ursache der scheinbaren
täglichen Bewegung der Sonne kommt dann oft spontan
die Antwort: „In Wirklichkeit bewegt sich die Erde um
die Sonne“. Solchen unscharfen Vorstellungen lässt sich
am leichtesten gleich am Anfang begegnen.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
grundFolie
40
deckFolie
Süd
Zenit
Meridian
Ost
West
Nord
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Die scheinbare Himmelskugel über dem natürlichen Horizont
Folie
41
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Zenit
Meridian
natürlicher
Horizont
S
O
W
N
Die scheinbare Himmelskugel mit wichtigen Hilfslinien
Zenit
Himmelsäquator
Himmelsachse
W
φ
S
O
N
φ: Polhöhe
Horizont
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
42
Die scheinbare tägliche Bewegung der Sonne
scheinbare
tägliche
Sonnenbahn
S
O
W
N
Die scheinbaren täglichen Bahnen der Sterne
Himmelsnordpol
a
b
φ
N
S
O
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Tafelbild
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Die Rotation der Erde
Art der Bewegung
Zentrum der Drehung
Bewegungs-
richtung
Wer dreht sich?
Zeitraum der Drehung
scheinbar
Erdachse
OgW
Himmelskugel
24 h
wahr
Erdachse
WgO
Erdkugel
24 h
r
ato
Äqu
S
deckFolie
se
Die Erkenntnisse lassen sich in einem Tafelbild zusammenfassen. Mit einer Grundfolie und einer Deckfolie, die
beide in zwei Exemplaren zur Verfügung stehen sollten,
können den Schülern verschiedene Erscheinungen anschaulich demonstriert werden:
− Mit der Folie kann die unterschiedliche Sonnenhöhe
in verschiedenen geografischen Breiten gezeigt werden. Dazu wird auf der Folie mit zwei Stäbchen die
Lage von Horizont und Einfallswinkel der Sonnenstrahlen für einen Ort in den Tropen, für den Heimatort sowie für einen Ort mit Polartag demonstriert.
N
ach
− In einem etwas abgedunkelten Raum wird der Erdglobus mit einer lichtstarken Taschenlampe oder
einem Bildwerfer beleuchtet. Die Entstehung von Tag
und Nacht und die scheinbare Bewegung der Sonne
können durch Drehen des Globus gut demonstriert
werden.
grundFolie
zeigte Tafelbild zu entwickeln: Ausgehend von der Bewegung der Erde um die Sonne und der täglichen Bewegung
der Erde, zeichnet man für einen auf der Nordhalbkugel
befindlichen Beobachter für die Jahreszeiten Sommer
und Winter den Teil der scheinbaren Himmelskugel ein,
der jeweils der Nachtbeobachtung zugänglich ist.
Erd
Zur Demonstration der Rotation sowie der Begriffe wahre
und scheinbare Bewegung bieten sich verschiedene Möglichkeiten an:
− Ein Schüler dreht sich um sich selbst und beschreibt
dabei, in welche Richtung die anderen Schüler oder
Gegenstände um ihn herum scheinbar wandern.
Gut verdeutlicht werden kann damit
− die Gegenläufigkeit der Bewegung und
− die Bewegung um eine Körperachse.
Diese Demonstration kann durch Einbeziehung der
Fenster des Raums, die die Richtung der Sonne markieren, erweitert werden. Der Schüler interpretiert
jetzt die scheinbare Richtung des Sonnenlaufs und die
Entstehung von Tag und Nacht.
− Die Folie kann auch genutzt werden, um Polartag
bzw. Polarnacht zu veranschaulichen.
− Gut lassen sich mit der Folie auch die für einen Ort
unterschiedlichen Einfallswinkel der Sonnenstrahlen
im Sommer und im Winter zeigen.
Erfahrungsgemäß stößt man relativ schnell an die Grenzen des Vorstellungsvermögens der Schüler, wenn man
mit ihnen die jährliche Veränderung des Sternenhimmels
besprechen möchte. Als Unterrichtsvariante bietet sich an,
im Laufe eines Unterrichtsgesprächs das auf S. 44 oben ge-
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
44
Jährliche Veränderung des Sternenhimmels
stets sichtbarer
Teil des Sternenhimmels
Nachtbeobachtung
Nachtbeobachtung
B
Nacht
Sonne
Tag
Tag
niemals auf der Nordhalbkugel sichtbarer Teil
des Sternenhimmels
Winterhalbjahr
Dabei entsteht ein Gebiet, das während des ganzen Jahrs
sichtbar ist, zwei voneinander getrennte Beobachtungsregionen des Sommer- und Winterhalbjahrs und ein größerer Himmelsausschnitt, der grundsätzlich niemals zu
beobachten ist. Den durch diese Überlegung gefundenen
Himmelsgebieten entsprechen die stets sichtbaren Sternbilder des nördlichen Sternenhimmels, die Sommer- und
Wintersternbilder und die Sternbilder des südlichen Sternenhimmels.
Das Tafelbild ist geeignet, den Schülern zu demonstrieren, dass wir auf unserer geografischen Breite
− einen Teil der Sterne des nördlichen Himmels immer
sehen,
− einen Teil der Sterne des nördlichen und südlichen
Himmels zeitweise sehen,
Tafelbild
B
Sonnenlicht
Nacht
Sommerhalbjahr
− einen Teil der Sterne des südlichen Himmels niemals
sehen.
Bei der Behandlung des Umlaufs der Erde um die Sonne
eignet sich das Tellurium gut zur Veranschaulichung der
gleichzeitig ablaufenden Hauptbewegungen der Erde.
Bei der Behandlung der Sternbilder sollten die Schüler
auf folgende Aspekte aufmerksam gemacht werden:
− Die meisten Sternbilder des nördlichen Himmels gehen auf Ptolemäus Beschreibung im „Almagest“ zurück. Helle Sterne erhielten ihren Namen aus dem
Arabischen. Nicht so sagenumwoben wie der nördliche Himmel ist der Südhimmel. Seefahrer schufen
hier die Sternbilder und bezeichneten sie aus ihrer
Erlebniswelt.
Die Jahreszeiten auf der Nordhalbkugel (50,5° n. Br.)
Jahreszeit
Beginn
Sonnenaufgang
Sonnen-
untergang
Kulminationshöhe der Sonne
Länge von Tag und Nacht
Frühling
21.03.
Ost
West
39,5°
Tagbogen = Nachtbogen
Sommer
21.06.
Nordost
Nordwest
63°
Tagbogen > Nachtbogen
Herbst
23.09.
Ost
West
39,5°
Tagbogen = Nachtbogen
Winter
21.12.
Südost
Südwest
16°
Tagbogen < Nachtbogen
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45
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
re
m
Hi
m
g
ku
s
l
e
Die Einsicht in den Ablauf der gebundenen Rotation fällt
den Schülern erfahrungsgemäß schwer. Zur Verdeutlichung bietet sich ein „Rollenspiel“ an: Ein Schüler umläuft
als Mond einen in der Mitte sitzenden Schüler (Erde), und
zwar so, wie der Mond die Erde: Der „Mond-Schüler“
wendet seine Vorderseite immer dem „Erde-Schüler“ zu,
sodass dieser den „Mond-Schüler“ stets von derselben
Seite sieht. Der umlaufende „Mond-Schüler“ beschreibt,
welche Himmelsrichtungen er dabei nacheinander sieht,
sodass den zuschauenden Schülern klar wird: Er hat sich
während seines Umlaufs einmal um seine Achse gedreht.
Die Rotation ist an den Umlauf gebunden. Knapp formuliert: Rotationsdauer = Umlaufdauer.
Zur Vertiefung der gewonnenen Einsicht kann dann mit
den Schülern diskutiert werden:
− Wie sähe man den Mond von der Erde aus, wenn er
nicht rotieren würde?
− Welche Auswirkungen gäbe es auf der Erde, wenn sie
auch eine gebundene Rotation (um die Sonne) ausführen würde?
Die Ergebnisse der Betrachtungen können in einem Tafelbild zusammengefasst werden.
el
sch
ei
nb
a
Die meisten Schüler haben elementare, häufig aber wenig
fundierte Vorstellungen über die Bewegungen des Monds.
Bei gezielter Beobachtung fällt ihnen häufig die scheinbar
große Schwankung des Monddurchmessers in Abhängigkeit von seiner Stellung über dem Horizont auf.
Zur Erklärung des Zustandekommens dieser optischen
Täuschung kann die untenstehende Folie dienen:
Die scheinbare Himmelskugel über dem Beobachtungshorizont ist mit eingezeichneten Mondörtern in unterschiedlicher Höhe über dem Horizont versehen. Das
menschliche Auge sieht aber über sich eine abgeflachte
Halbkugel, auf sie werden vom Auge die Durchmesser
des Monds projiziert. Die Skizze zeigt, dass auf diese
Weise der Mond dem menschlichen Auge um so größer
erscheint, je näher er dem Horizont steht.
Eine Beobachtungsaufgabe über die Bewegung des
Monds sollte so rechtzeitig gestellt werden, (einige Wo-
chen vor der Nutzung der Ergebnisse im Unterricht), dass
mögliche Misserfolge durch ungünstige Witterungslagen
weitgehend vermieden werden. Zweckmäßig empfiehlt
der Lehrer den Schülern Zeiträume, die sich von der Sichtbarkeit des Monds her für die Beobachtung besonders
anbieten. Ausgehend von den Angaben in einem Kalender gibt der Lehrer den Zeitraum von etwa Mondalter 3
Tage bis Mondalter 14 Tage (Abendbeobachtung) bzw.
21 Tage bis 25 Tage (Morgenbeobachtung) vor. Die Schüler müssen genau wissen, was sie tun sollen. Eine knappe
und dabei eindeutige Formulierung ist im Arbeitsblatt
angegeben.
Folie
− Die verschiedenen allegorischen Darstellungen sind
relativ willkürlich und resultieren aus dem Sagenschatz des jeweiligen Volkes. Die bei uns üblichen Beschreibungen und Sagen gehen weitgehend auf die
griechische Mythologie zurück.
− Eine genaue Einteilung des Himmels in Sternbilder
verfügte 1925 die Internationale Astronomische
Union, indem sie die Grenzen der Sternbilder entlang
von Stunden- und Deklinationskreisen festlegte.
− Mittels der Sternbilder lässt sich der ungefähre Ort
eines Himmelskörpers angeben. Um aber beispielsweise die Eigenbewegung von Sternen zu untersuchen, ist eine genaue Festlegung des Orts an der Himmelskugel erforderlich. Aus der Beobachtung folgt
unmittelbar nur die Richtung und nicht die Entfernung zum Stern.
− Tierkreissternbilder sollten nicht mit Tierkreiszeichen
verwechselt werden.
el
elskug
m
m
i
te H
h
c
a
l
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ab
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
46
Sommerdreieck
SCHWAN
Deneb
Wega
LEIER
Albireo
Ringnebel
Atair
ADLER
Winterdreieck
KLEINER
HUND
Beteigeuze
ORION
Prokyon
Sirius
Orionnebel
GROSSER
HUND
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Richtung
Ursache
Ost g West
Erdrotation
West g Ost
Mondumlauf
Bewegungen von Erde und Mond
Dauer der Rotation
Dauer eines Umlaufs
1 Tag
1 Jahr
1 Monat
1 Monat
Erde
Mond
Tafelbild
Bewegung des Monds über dem Horizont
Himmelskörper
47
Tafelbild
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Eine Umdrehung des Monds um seine Achse dauert genauso lange wie sein Umlauf um die Erde
(gebundene Rotation).
Konsequenzen:
– Der Mond wendet uns immer die gleiche Seite zu.
Mond
Erde
– Die Rückseite des Monds ist nicht sichtbar.
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Arbeitsblatt
48
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Mondbewegung
1. Vervollständige die Skizze für den südlichen Horizont des Beobachtungsstandorts!
Trage dazu einige leicht auffindbare markante Punkte ein, die als Messmarken geeignet sind
(z. B. Schornsteine, Kirchtürme, auffällig herausragende Gebäude, einzelne hohe Bäume)!
Süd
West
Ost
Beobachtung 1: ______________ Beobachtung 2: ______________ Beobachtung: 3 ______________
2.
Beobachte den Mond zu verschiedenen Zeitpunkten!
Trage die beobachteten Orte des Monds über dem Horizont in die Skizze ein:
– am ersten Tag zu einer bestimmten Uhrzeit,
– am gleichen Tag, aber etwa ein oder zwei Stunden später,
– am nächsten Tag zur selben Zeit wie bei der ersten Beobachtung!
Beschreibe und erkläre die beobachteten Veränderungen!
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49
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Bei der Behandlung der Bewegung der Planeten um die
Sonne stehen vor allem inhaltliche Aussagen zu den keplerschen Gesetzen im Vordergrund. Sie sind an der Bewegung konkreter Planeten um die Sonne zu verdeutlichen.
In Auswertung des 1. keplerschen Gesetzes ist herauszustellen, dass sich während des Umlaufs der Planeten um
die Sonne ihr Abstand zur Sonne ständig ändert, sodass
Angaben zur geringsten, größten und mittleren Entfernung eines Planeten zur Sonne sinnvoll sind.
Aus dem 2. keplerschen Gesetz folgt, dass sich die Planeten in Sonnennähe schneller als in Sonnenferne bewegen. Entlang ihrer Bahn ändert sich also die Bahngeschwindigkeit der Planeten.
Das 3. keplersche Gesetz lässt u. a. Rückschlüsse auf die
Bahngeschwindigkeit von Planeten in Abhängigkeit von
ihrem Abstand zur Sonne zu. Die Bahngeschwindigkeit
der Planeten nimmt mit wachsendem Abstand von der
Sonne ab.
Für die Behandlung des Gravitationsgesetzes ist im LB
ein Weg aufgezeigt worden.
Den Einfluss der beiden Massen zweier Körper auf die
Größe der Gravitationskraft können die Schüler relativ
schnell verstehen. Dagegen bereitet das Verständnis der
Abhängigkeit der Gravitationskraft vom Abstand der
Massenmittelpunkte der beiden Körper oft Schwierigkeiten.
Das lässt sich am Beispiel des Monds gut verdeutlichen:
Setzt man in die Berechnung der Gravitationskraft an der
Mondoberfläche statt des Wertes rM = ¼ rE den Wert des
Erdradius ein (hätte also der Mond den gleichen Radius
wie die Erde), erhält man einen sehr viel geringeren Wert
für die Gravitationskraft des Monds.
Dem Schüler wird deutlich: Die Schwerkraft eines Körpers
an der Mondoberfläche wird ganz wesentlich auch von
dem Abstand dieser Oberfläche vom Massenmittelpunkt
des Monds (dem Mondradius) beeinflusst.
Eine viele Schüler interessierende Frage ist die nach der
Entwicklung und der Struktur des Kosmos als Ganzes, ist
es doch eine Frage, die eng mit weltanschaulichen Aspekten verknüpft ist.
Wesentliche Grundlage für die gegenwärtig diskutierten Weltmodelle sind die einsteinschen Gravitationsgleichungen der allgemeinen Relativitätstheorie. In dieser
Theorie wird die Gravitation geometrisiert, den Ort jedes
Massepunkts beschreibt man durch drei Raum- und eine
Zeitkoordinate. Physikalische Vorgänge spielen sich in
einer kontinuierlichen Mannigfaltigkeit dieser vier Koordinaten ab, wobei sich durch die Bewegung von Massen
die geometrischen Eigenschaften dieser Mannigfaltigkeit, des Raum-Zeit-Kontinuums, stetig verändern.
Den Schülern wird man diese Überlegung nicht mitteilen. Es ist aber sinnvoll, zuvor mit ihnen ausführlich den
Begriff des physikalischen Modells zu wiederholen, der
durch eine Vielzahl von Beispielen aus dem bisherigen
Physik- und Astronomieunterricht bekannt ist, um zu verdeutlichen, dass physikalische Modelle stets nur einige
Aspekte der Realität abbilden können.
In der öffentlichen Diskussion wird die Kosmologie oft
als ein stark esoterisches Arbeitsgebiet angesehen. Vielfach glauben Menschen, die Entwicklung des Universums
könne nur als mystische Gesamtschau erkannt werden.
Demgegenüber sollte man den Schülern unbedingt verständlich machen, dass nicht Spekulationen, sondern wissenschaftliche Arbeitsmethoden in der Kosmologie die
einzige Quelle naturwissenschaftlicher Erkenntnis darstellen. Auch die Kosmologie entwickelt sich durch ein
Wechselspiel zwischen theoretischen Untersuchungen
und Beobachtungen/Experimenten sowie Erfahrungstatsachen. Dazu kann der Lehrer eine Übersicht (s. S. 52 oben)
anfertigen, in der diese Zusammenhänge stark vereinfacht dargestellt sind.
Um dem unterschiedlichen Vorstellungsvermögen der
Schüler Rechnung zu tragen, sollten mehrere Varianten
der modellhaften Darstellung des expandierenden Kosmos betrachtet werden:
1. Möglichkeit:
Befestigt man auf einem Gummiband Perlen oder Kugeln, dann vergrößert sich der Abstand zwischen ihnen
nach dem Hubble-Gesetz, sobald man an den Enden
der Kette zieht. Der Gedankengang kann in einem TB
(s. S. 52 unten) zusammengefasst werden.
2. Möglichkeit:
Ein Luftballon, auf dem zuvor Galaxien nahe beeinander
markiert wurden, wird aufgeblasen; der Abstand der Galaxien vergrößert sich nach dem Hubble-Gesetz.
3. Möglichkeit
Ein alter Globus, Fußball … wird mit einem Koordinatennetz (s. Abb. S. 50) versehen. Im Zenit der Halbkugel markiert man einen Punkt, der den Urknall symbolisieren
soll. Die seit dem Urknall verstrichene Zeit lässt sich auf
den Längengraden ablesen, den mittleren Abstand zwischen den Galaxien erkennt man auf den Breitengraden.
Zu einem früheren Zeitpunkt war der Abstand zwischen
den Galaxien wesentlich kleiner als heute. Das Universum
zu einer bestimmten Zeit entspricht einem waagerechten
Schnitt durch die Halbkugel.
Sollte sich das Universum weiter ausdehnen, dann vergrößert sich auch zukünftig der mittlere Abstand zwischen
den Galaxien. Sollte es hingegen zu einem späteren Zeitpunkt zu kontrahieren beginnen, dann schließt sich die
Halbkugel zu einer Vollkugel, die Materie fällt in einem
dem Urknall gegenüberliegenden Punkt zusammen.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Als Einstieg auf die Frage nach außerirdischem Leben
kann man das verbreitete Interesse der Schüler an utopischer Literatur nutzen, ihnen aber deutlich machen,
dass man in der Astronomie versucht, mithilfe wissenschaftlicher Erkenntnisse eine Antwort auf diese Frage
zu finden.
Urknall
Zeit
Zeit
Zeit
a
a
a
Zeit
Zeit
Zeit
b
b
b
Wichtig ist, dass die Schüler die im kosmologischen Prinzip verallgemeinerten Erfahrungen und Erkenntnisse in
einer der folgenden gleichberechtigten Formulierungen
erfassen:
− Es existiert im Universum kein besonders ausgezeichneter Punkt.
− Alle Örter im Universum sind gleichberechtigt.
− Das Universum bietet unabhängig vom Standort eines
Beobachters stets den gleichen Anblick.
− Für die physikalische Beschreibung des Universums
darf man jeden beliebigen Punkt des Alls als Mittelpunkt eines Koordinatensystems wählen.
Nachfolgend sind einige Anregungen zu folgenden Fragen gegeben:
− Gibt es außerhalb der Erde Leben?
− Wie wird sich das Universum entwickeln?
Nur ungenügend sind die Gesetzmäßigkeiten bekannt,
nach denen sich das Leben aus „toter“ Materie heraus
entwickeln kann. Deshalb weiß man auch nicht, ob außerirdisches Leben, sofern es überhaupt besteht, nur in
irdisch ähnlichen Formen (organische Moleküle auf der
Grundlage von Kohlenstoffverbindungen) existieren
kann oder ob auch gänzlich andere Lebensformen möglich sind.
Sicher ist, dass sich Leben auf einem Planeten im All entwickelt hat, auf der Erde. Somit lässt sich eine (vereinfachte) Voraussetzungskette formulieren, die erfüllt sein
muss, damit sich Leben bilden kann (s. Übersicht S. 53).
Das Auffinden von Leben im All ist an eine weitere Voraussetzung geknüpft: Es muss sich um intelligentes Leben handeln. Nur dann gelingt es, mit der Lebensform
in Kontakt zu treten und auf diese Weise überhaupt ihre
Existenz zu beweisen. Auf der Erde gibt es seit einigen
Milliarden Jahren Leben, die Menschheit ist jedoch erst
seit wenigen Jahrzehnten in der Lage, Radiosignale zu
erzeugen und zu empfangen. Somit sinkt die Wahrscheinlichkeit, in unserer unmittelbaren Umgebung im
All auf Leben zu stoßen.
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Folie
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Gesetze der Planetenbewegung
1. keplersches Gesetz
Alle Planeten bewegen sich auf
elliptischen Bahnen. In einem gemeinsamen Brennpunkt steht die
Sonne.
Sonne
Planet
2. keplersches Gesetz
Die Verbindungslinie Sonne – Planet überstreicht in gleichen Zeitintervallen gleiche Flächen A.
A
∆t
Sonne
A1
A2
∆t
A
​ ∆t1 ​= }
​ ∆t2 ​= konstant
}
3. keplersches Gesetz
Die Quadrate der Umlaufzeiten
zweier Planeten verhalten sich
wie die dritten Potenzen der
großen Halbachsen ihrer Bahnen.
2
T ​ 1​ 2
T ​ 2​ 3
a ​ 1​ 3
a ​ 2​ ​ ​ = }
​ }
​
Planet 1
Sonne
Planet 2
a1
a2
a1, a2 – große Halbachsen
Aus den keplerschen Gesetzen folgt:
– Ein Planet hat auf seiner Bahn um die Sonne in Sonnennähe eine
größere Geschwindigkeit als in Sonnenferne.
– Von zwei Planeten hat derjenige die größere Bahngeschwindigkeit,
der sich näher an der Sonne befindet.
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Tafelbild
Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Welt als
expandierender Kosmos
Theorien
Beobachtungen
• EINSTEINsche
Gravitationstheorie
• Weltmodelle
• Urknalltheorie
• Galaxienflucht
(Rotverschiebung)
• 3 K-Hintergrundstrahlung
Kosmologisches Prinzip
Tafelbild
Alle Punkte im Universum
sind gleichberechtigt.
Der expandierende Kosmos im Modell
0 1 2 3
...
...
Urknall
∆t
...
0
1
∆x
2
∆x
v1 = }
​ ∆ x
​ ∆t
3
Zeit
Abstand zwischen den
Kugeln vernachlässigbar
Ausdehnung
...
∆x
v2 = }
​ 2 ∆ x
​ ∆t
v3 = }
​ 3 ∆ x
​ ∆t
v1 < v2 < v3
Folgerungen:
1. Mit Vergrößerung des Abstands von einem Bezugspunkt vergrößert sich
die „Fluchtgeschwindigkeit“.
2. Alle Punkte (Kugeln) sind gleichberechtigt.
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Bedingungen, die für die Entstehung von Leben notwendig sind
53
Folie
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
In der Nähe muss sich ein Wärme und Licht
spendender Stern befinden.
Der Stern muss mehrere Mrd. Jahre existieren, damit
genügend Zeit zur Entstehung und Entwicklung von
Leben zur Verfügung steht.
Der Stern muss ein Planetensystem besitzen.
Der Stern sollte ein Einzelstern sein und keinem
Doppel- oder Mehrfachsystem angehören.
Einige Planeten seines Systems müssen eine
feste Oberfläche besitzen.
Der Planet, auf dem sich Leben entwickeln soll,
darf nicht zu dicht am Zentralgestirn stehen, er darf
aber auch nicht zu weit von ihm entfernt sein.
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Stern
alle Bedingungen erfüllt, ist sehr gering.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.2.3 Methoden der astronomischen Erkenntnisgewinnung
2. Eine Methode, mit deren Hilfe man die Entfernung
der Sterne bestimmen kann.
Schwerpunkte dieses Abschnitts sind, dass die Schüler
− wichtige Methoden der Erkenntnisgewinnung in der
Astronomie kennen,
− die astronomische Beobachtungsmethode als wichtiges Mittel zur Datensammlung bei Beobachtungen
von Mond, Planeten und Sonne anwenden,
− das Prinzip der trigonometrischen Entfernungsbestimmung von Himmelskörpern verstehen,
− wichtige Zusammenhänge zwischen Zustandsgrößen
von Sternen (Oberflächentemperatur-SpektralklasseFarbe, Masse-Leuchtkraft, OberflächentemperaturLeuchtkraft) erkennen,
− das Hertzsprung-Russell-Diagramm als Entwicklungsdiagramm von Sternen interpretieren können,
− Grundzüge der Sternentwicklung erläutern können.
Um den Schülern zu verdeutlichen, dass die Intensität
der Strahlung mit wachsendem Abstand zur Lichtquelle
abnimmt (I ~ 1/r 2), eignen sich einfache Demonstrationsversuche:
− Bei einem lichtfotometrischen Aufbau befinden sich
zwei gleichartige Lichtquellen in unterschiedlicher
Entfernung zu einem Schirm. In Abhängigkeit von
ihrer Entfernung wird dieser unterschiedlich hell beleuchtet.
Empfehlungen für Unterrichtsmittel:
− Experimentierleuchten,
− Schatten- oder Lichtfotometer aus Aufbauteilen,
− Belichtungsmesser,
− Quecksilberdampfdrucklampe oder andere Spektrallampe,
− Reflexionsgitter (wahlweise Prisma),
− Taschenspektroskop,
− Schulfernrohr,
− Rollkarte Mondoberfläche,
− Mondatlas,
− Anschauungstafeln zum Hertzsprung-Russell-Diagramm und zu Spektralklassen der Sterne
− Anordnung zur Beobachtung der Sonnenoberfläche
mittels Projektionsmethode (z. B. Schulfernrohr/Telementor mit Sonnenprojektionsschirm von Carl Zeiss
Jena GmbH)
Schirm
Trennwand
Beobachter
− Bei einem schattenfotometrischen Aufbau erscheint
der Schatten eines Stabs auf dem Schirm.
Schirm
Aktuelle Materialien zur Raumfahrt können aus vielen
Internetquellen bezogen werden. Das umfangreiche Bildmaterial des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. (http://www.dlr.de) darf für pädagogische Zwecke genutzt werden.
Ausgangspunkt der Betrachtungen können Beobachtungen der Schüler des nächtlichen Sternenhimmels sein,
an dem sie Sterne unterschiedlich hell wahrgenommen haben. Es ist zweckmäßig, Vermutungen darüber anzustellen, worin die Ursachen der unterschiedlichen Helligkeiten
liegen könnten. Solche Vermutungen könnten sein:
− Leuchtkraft der Sterne ist unterschiedlich.
− Die Sterne sind unterschiedlich weit von uns entfernt.
− Die Sterne könnten sowohl unterschiedlich weit von
uns entfernt sein, als auch voneinander verschiedene
Leuchtkräfte besitzen.
Zur Überprüfung dieser Vermutungen werden folgende
Kenntnisse benötigt:
1. Zusammenhänge zwischen der Leuchtkraft eines
Sterns und seiner Entfernung zum Beobachter,
Beobachter
Aus der Helligkeit des Schattens kann auf den Abstand der Leuchten zum Stab geschlossen werden,
falls die Einfallswinkel des Lichts gleich sind.
− Bei Verwendung eines Belichtungsmessers oder von
lichtempfindlichen Bauelementen kann eine halbquantitative Auswertung erfolgen (z. B. doppelte
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Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Entfernung zur Lichtquelle – Stromstärke beträgt ein
Viertel – Intensität der Strahlung ist auf ein Viertel
gesunken). Geeignet sind folgende Schaltungen:
Licht
mit Fotowiderstand
U
ohne direkte Entfernungsmessung z. B. die Entfernung
eines Objekts, das auf der anderen Seite eines Flusses
oder Sees liegt, bestimmen kann.
Im einfachsten Fall kann die Entfernungsbestimmung
mithilfe eines rechtwinkligen Dreiecks erfolgen (s. Abb.).
B
β
A
Fluss
mit Fotodiode
U
Licht
γ
C
α
A
Ansatzpunkt für die trigonometrische Entfernungsbestimmung kann die Frage sein, wie man auf der Erde
Folie
A
Mit den Schülern kann dann diskutiert werden, ob man
dieses Verfahren auf die Entfernungsbestimmung von
Sternen übertragen kann. Dabei werden die Schüler auf
die jährliche Bewegung der Erde orientiert. Damit das
Prinzip den Schülern verständlich wird, sind Vergleiche
mit irdischen Vorgängen, möglichst aus dem Erfahrungs-
Trigonomische Entfernungsbestimmung
Beobachter im fahrenden Zug
Beobachter auf der Erde
weit entfernte Sterne
α
r
P
Erdbah
s
Erde
später
sin α = }​ sr ​
naher Stern
Parallaxe
α
früher
Allgemein gilt: r =
r
n
1AE
Sonne
Erde
1 AE
​ 1 AE
​ oder r = }
​ sin p
​
sin p = }
r
s
r=}
​ sin α
​ ​ p1 ​
}
P
für p = 1“ (1/3 600°) erhält man
r = 3,086 · 1013 km oder
r = 1 Parsec (1 pc)
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
56
Radien von Sternen
Riesen
Hauptreihensterne
Weiße Zwerge
R bis 109 km
R ≈ 105 km … 106 km
R ≈ 103 km
in den größten
Sternen findet die
Erdbahn Platz
der Sonne
vergleichbar
der Erde
vergleichbar
Stern
Erde
Erdbahn
Weißer
Zwerg
Sonne
bereich der Schüler, zweckmäßig. Geeignet ist hierzu
z. B. die Beschreibung des Anblicks aus einem fahrenden
Zug oder Auto: Ein in der Nähe der Fahrstrecke stehender Baum verändert seine Lage bezüglich eines weit entfernten Hintergrunds.
Analoges ist bei Sternen festzustellen: Bei der Bewegung
der Erde um die Sonne verändert sich die Lage eines nicht
so weit entfernten Sterns bezüglich sehr weit entfernter
Sterne an der scheinbaren Himmelskugel. Die beschriebenen Sachverhalte können schrittweise in einem TB (einer Folie) dargestellt werden.
Den Schülern sollte deutlich gemacht werden, dass die an
Sternen gemessenen Parallaxen kleiner als 122“ sind. Der
sonnennächste Stern (Proxima Centauri) hat eine Parallaxe von 0,769“, ist also 1,30 pc entfernt.
Um die in der Astronomie bisher und gegenwärtig erreichten Messgenauigkeiten zu verdeutlichen, kann man
die nachfolgende Folie verwenden: Ausgangspunkt dabei ist das allen Schülern bekannte 1-m-Tafellineal.
Die mittlere Messgenauigkeit des Satelliten Hipparcos,
dem von 1989 bis 1993 Parallaxenmessungen für 118 000
Sterne gelangen, beträgt 0,002“ (zwei Millisekunden).
Das bedeutet: Man kann die jährliche Parallaxe eines
Sterns bis in eine Entfernung von etwa 500 pc (=1/0,002“)
nachweisen.
Da eine Parallaxe aber nur dann genau ermittelt wird,
wenn der Messfehler deutlich kleiner als der Messwert
ist, sind gute Bestimmungen nur bei relativ nahen Sternen möglich. Eine 20 %ige Genauigkeit ergibt sich etwa
für Sterne, deren Entfernung 130 pc nicht übersteigt.
Der Satellit Gaia soll eine deutlich erhöhte Messgenauigkeit haben und Ende 2011 damit beginnen, Messungen
an etwa 1 Milliarde Sternen durchzuführen. Fehlergrenzen von Mikrobogensekunden sind im Gespräch. Dies
würde bedeuten, dass man trigonometrische Parallaxen
von Sternen ermitteln könnte, die mehrere 1 000 pc von
der Erde entfernt sind. Damit wäre ein sehr großer Bereich des Milchstraßensystems der direkten Entfernungsbestimmung zugänglich.
In Bezug auf einige Zustandsgrößen der Sterne sollte den
Schülern verdeutlicht werden, dass Zustandsgrößen die
Eigenschaften eines Körpers beschreiben. So wie man
z. B. mithilfe der Zustandsgrößen Temperatur, Druck,
Volumen und Dichte die Eigenschaften eines Gases beschreiben kann, lassen sich auch für Sterne charakteristische Größen angeben.
Als wichtige Zustandsgrößen von Steren lernen die Schüler
die Masse M, den Radius R, die mittlere Dichte ρ, die Oberflächentemperatur T, die Spektralklasse und die Leuchtkraft L kennen. Die Zustandsgrößen der Sterne variieren
untereinander sehr stark. So können sich die Sternmassen
etwa um den Faktor 800 und die Sternradien um den Faktor 1 000 000 unterscheiden. Würden Menschen einer solchen Schwankungsbreite unterliegen, dann könnten sie
zwischen 0,5 und 400 kg wiegen und eine Körpergröße
zwischen 1 mm und 1 km besitzen. Zur Veranschaulichung
von Sternradien eignet sich eine Übersicht (s. o.).
Aus Masse und Radius eines Sterns lässt sich seine mittlere Dichte berechnen bzw. abschätzen. Um diese sehr
unterschiedlichen Dichten zu veranschaulichen, bieten
sich z. B. Vergleiche mit Wasser (ρ = 1 g · cm–3) an. In der
Kopierfolie ist eine Möglichkeit dargestellt.
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Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Das Thema Ermittlung der Oberflächentemperatur eines
Sterns sollte durch einen zeitlich vorangehenden Beobachtungsabend bereits vorbereitet werden.
Neben der subjektiven Beobachtung ausgewählter Sterne
kann man mithilfe eines Fotoapparats bei Verwendung
eines empfindlichen Diafilms Sternspuraufnahmen anfertigen, bei denen die unterschiedliche Färbung des Sternlichts gut zu erkennen ist. Diese Dias können dann im
Unterricht genutzt werden.
Der subjektive Farbeindruck ist nicht gleichbedeutend
mit der Feststellung, dass das Licht, dessen Farbe wahrgenommen wird (etwa blau), auch am intensivsten vom
Stern (Lichtquelle) ausgesandt wird. Tatsächlich ist bei
einer Temperatur von 10 000 K das Intensitätsmaximum
der Strahlung bereits im ultravioletten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, während bei Verwendung
von Glühlampen das Intensitätsmaximum noch im infraroten Spektralbereich liegt (schwarzer Strahler).
Vergleiche mit Glühfarben sind eine gute Möglichkeit,
den Zusammenhang zwischen Oberflächentemperatur
und Farbe des ausgesandten Lichts zu verdeutlichen: Die
einfachste Möglichkeit besteht im Betreiben einer Glühlampe über einen regelbaren Vorwiderstand.
Die Schüler lernen das HRD als ein Zustandsdiagramm
kennen, das gleichzeitig den Zustand einer großen Anzahl von Objekten (Sternen) beschreibt. Es trägt also statistischen Charakter.
Das HRD sollte deshalb den Schülern nicht nur vorgestellt,
sondern gemeinsam mit ihnen als Zustandsdiagramm erarbeitet werden.
Für die Glühfarben gilt etwa folgender Zusammenhang:
beginnende Rotglut
500 °C
Hellrotglut
850 °C
Gelbglut
1 100 °C
Weißglut
1 500 °C
Die Oberflächentemperaturen der Sterne lassen sich naturgemäß in Schuldemonstrationsexperimenten nicht
darstellen. Gewarnt werden muss aber vor einem Fehlschluss:
Folie
Dazu eignet sich folgendes Herangehen:
Schülergruppen erhalten eine Folie (s. S. 49), auf der zuvor lediglich die Koordinatenachsen des HRD markiert
und beschriftet wurden (auf allen Folien identisch).
Anschließend erhält jede Gruppe den Auftrag, fünf bis
sechs Sterne, von denen Oberflächentemperatur und
Leuchtkraft bekannt sind, in das HRD einzutragen. Die
Die mittlere Dichte von Sternen
Riesen
Hauptreihensterne
Weiße Zwerge
≈ 10-7 – 10–5 g ∙ cm–3
≈ 1 g ∙ cm–3
≈ 106 g ∙ cm–3
Um diese Dichte zu erreichen, müsste man einen Würfel mit Wasser
(r = 1 g ∙ cm–3) füllen und das Volumen folgendermaßen verändern:
1 cm3
H2O
1 m3
1 cm3
H2O
1 cm3
Die Dichte im Würfel
von 1 m3 würde man
auf der Erde als
Vakuum bezeichnen.
1 m3
H2O
1 cm3
Der Würfel von 1 cm3
wiegt so viel wie ein
Pkw.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Auswahl dieser Sterne wird so getroffen, dass neben vielen Hauptreihensternen einige Riesen und weiße Zwerge
enthalten sind. Die Gruppen stellen dann ihr Ergebnis der
Klasse vor. Aus der geringen Anzahl von Eintragungen jeder einzelnen Gruppe ergibt sich nur eine völlig zufällige
Verteilung der Sterne im HRD. Werden alle Folien übereinander projiziert, erkennen die Schüler den markanten
Verlauf der Hauptreihe.
− Hauptreihensterne: sonnenähnlich, auch die Sonne
ist Hauptreihenstern, Sternradien deshalb der Sonne
vergleichbar.
− Riesen: große Oberfläche, große Sternradien, aber
gleiche Oberflächentemperatur wie Hauptreihensterne, hohe Leuchtkräfte.
− Weiße Zwerge: sehr kleine Radien und deshalb nur
geringe Leuchtkräfte.
Gemeinsam werden die Eigenschaften der Hauptreihensterne, Riesen und weißen Zwerge zusammengetragen:
Anhand einer Übersicht kann den Schülern verdeutlicht
werden, dass man nicht alle Zustandsgrößen eines Sterns
kennen muss, um ihn einer Gruppe zuordnen zu können.
Folie
58
Zustandsgrößen und Gruppierung von Sternen
1 000
10–6
10
Hauptreihenstern
10–1
…
…
1
1
…
10–4
…
…
10–2
mittlere
Dichte ρ
in g · cm–3
…
Riese
…
Sternradius R
in Einheiten
des Sonnenradius Rs
Weißer
Zwerg
106
Riesen
Leuchtkraft L
L
ns
he
ei
tr
up
rn
te
Oberflächentemperatur T
(Spektralklasse)
in das
HertzsprungRussellDiagramm
eintragen
Ha
und
e
Weiße
Zwerge
T
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Folie
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Vergleich von Messgenauigkeiten der Parallaxenmessung
Ein Schullineal besitzt eine Länge von 1 m. Hält man es waagerecht vor
die Tafel im Klassenraum und betrachtet es von den hinteren Bänken
(ca. 10 m), dann schließen die Blickrichtungen zu den beiden Endpunkten des Lineals einen Winkel von etwa 6° ein.
3 km
Könnte man die Endpunkte des Lineals noch
in einer Entfernung von
mehr als 3 km unterscheiden, dann hätte
man Tycho Brahes Messgenauigkeit erreicht,
die er um das Jahr 1600
erzielte. Sie war deutlich besser als 1‘.
Für Parallaxenmessungen von 1“ müsste
man die Endpunkte
eines Lineals erkennen,
das mehr als 200 km
vom Klassenraum entfernt ist.
200 km
Berlin
1”
Weimar
ca. 380 000 km
Um die mittlere Messgenauigkeit des
Satelliten HIPPARCOS
zu erreichen, sollte man
die Endpunkte von drei
hintereinander auf die
Mondoberfläche
gelegten Linealen
unterscheiden können.
Erde
Mond
0,002”
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
60
Hertzsprung-Russell-Diagramm
Leuchtkraft in L Vielfachen von Sonnenleuchtkräften Ls
R = 10 Rs
10 000
R = Rs
100
1
R=
1
R
10 s
Hauptreihe
10–2
20 000
10 000 8 000
6 000 5 000 4 000
3 000
2 000
T in K
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Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Um den Schülern die Grundzüge der Sternentwicklung
verständlich zu machen, kann auf ihre Kenntnisse über
die Sonne zurückgegriffen werden. Die Masse der Sonne
verringert sich ständig. Wie lange wird unsere Sonne noch
Energie abstrahlen? Was geschieht mit ihr, wenn der zur
Kernfusion notwendige Wasserstoff verbraucht ist?
Möglich ist auch folgender Einstieg:
Am 23. Februar 1987 geriet die Erde in eine gigantische
Schockwelle. Sie wurde auf jedem Quadratzentimeter
ihrer Oberfläche von etwa 100 Milliarden Neutrinos getroffen. Neutrinos sind Teilchen, die kaum mit anderen
Elementarteilchen in Wechselwirkungen treten – glücklicherweise – denn aufgrund dieser Eigenschaft durchdrangen sie die Erde, ohne ihre Spuren zu hinterlassen.
Der von den Neutrinos transportierte Energiestrom war
beträchtlich. Man schätzt ihn auf etwa 1 kW/m2, also
vergleichbar mit der Solarkonstanten. Da die Neutrinos
aber einfach durch die Erde hindurchflogen, führten sie
diesen Energiestrom mit sich fort – weiter auf ihrer Reise
durch das All.
Am 24. Februar berichtete keine Tageszeitung der Welt
von diesem plötzlichen Energieschauer. Wahrscheinlich
hätte niemand davon Kenntnis erhalten, wenn nicht einigen Astronomen am 23. Februar 1987 eine aufsehenerregende Entdeckung gelungen wäre. In der Großen Magellanschen Wolke leuchtete ohne vorherige Warnung
eine Supernova auf. Astronomen können aus Modellrechnungen entnehmen, dass es sich bei einer Supernova
um einen explodierenden Stern handelt. Die Detonation
muß gewaltig gewesen sein, denn die Große Magellansche Wolke ist etwa 160 000 Lichtjahre von der Erde entfernt und trotz dieser gewaltigen Entfernung zum Explosionsherd konnten die Auswirkungen der Detonation
gemessen werden.
Von dieser Einführung ausgehend werden die Fragen
− Wie entsteht ein Stern?
− Wie entwickelt sich ein Stern?
in den Mittelpunkt gerückt.
Die Einzelprozesse sind kompliziert und bei weitem noch
nicht in allen Details erforscht. Die Übersicht auf S. 63,
die als Folie oder Arbeitsblatt genutzt werden kann, gibt
einen Überblick über die wichtigsten Entwicklungsetappen im Leben eines Sterns.
Die Entwicklung bei sonnenähnlichen Sternen sollte auch
anhand des HRD verdeutlicht werden. Durch Interpretation des HRD als Entwicklungsdiagramm gewinnt man
die Erkenntnis, dass Sterne größerer Masse kürzer auf
der Hauptreihe verweilen. Dies ergibt sich auch aus der
Masse-Leuchtkraft-Beziehung L ~ M 3.
In Anknüpfung an die Entwicklung von Sternen sollte
mit den Schülern auch die Entwicklung unseres Planetensystems diskutiert werden. Aus der Übersicht S. 64, die
als Folie genutzt werden kann, wird deutlich, dass die
Entwicklung in Abhängigkeit von den jeweiligen Bedingungen zu unterschiedlichen Ergebnissen führt.
Nachdem das Hubble-Weltraumteleskop um junge Sterne
in den 90 iger Jahren auffallend viele Gas- und Staubscheiben entdeckt hat, gehen viele Astronomen davon
aus, dass die Entstehung einzelner Sterne ohne Begleiter
relativ selten vonstatten geht. Die Scheibenstruktur um
einen jungen Stern kann man mit folgender Abbildung
verdeutlichen:
entweichende
Materie
Materiescheibe
zentrales
kompaktes
Objekt
Dabei sind Materieauswürfe senkrecht zur Scheibenebene
von Bedeutung, die man tatsächlich beobachtet hat.
Einige Bemerkungen zur Gestaltung von Beobachtungen:
Durch astronomische Beobachtungen erhalten die Schüler
sachliche Kenntnisse über astronomische Objekte und Erscheinungen. Vor allem aber lassen Beobachtungen die
Erhabenheit und Schönheit des Kosmos erkennen.
Astronomische Beobachtungen stellen für Schüler etwas
Außergewöhliches dar. Eine Beobachtung mit einem
Teleskop werden sie auch in späterer Zeit nicht leicht
wiederholen können. Auch über die emotionale Seite,
die leider oft im naturwissenschaftlichen Unterricht unterschätzt wird, kann mittels astronomischer Beobachtungen beim Schüler sowohl Interesse am zu behandelnden Stoff geweckt als auch bereits erworbenes Wissen
wiederholt und vertieft werden.
Die Beobachtungen sind für Schüler auch insofern etwas
Besonderes, weil sie in völlig anderer Umgebung und
Form lernen als im üblichen Unterricht.
Eine Besonderheit mit weitreichenden didaktischen Konsequenzen besteht darin, dass schulastronomische Beobachtungen nur selten inhaltlich synchron mit der unterrichtlichen Behandlung der astronomischen Objekte
erfolgen können. Eine direkte und unmittelbare Einbeziehung der Beobachtung in den Unterrichtsablauf ist in
der Regel nur bei der Behandlung der Sonne möglich. Im
LB wird den Schüler die Beobachtungsmethode am Beispiel von Beobachtungen des Monds erläutert. Unter der
Rubrik des LB „Beobachtungen“ gibt es Beobachtungsaufgaben zum Großen Wagen, zur Sonne und zu verschiedenen Planeten.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
62
Entstehung und Entwicklung von Sternen
Infolge der Gravitation
kommt es zur Kontraktion
der interstellaren Wolke.
Potentielle Energie wandelt
sich um in innere Energie
(Erhöhung der Temperatur)
und elektromagnetische
Strahlung.
Bei ca. 5 000 000 K im
Inneren der Gaskugel:
Kernfusion setzt ein.
Stern ist stabil, wenn die
im Inneren erzeugte Energie
gleich der abgestrahlten
Energie ist.
Bei Erschöpfung der Vorräte
an Kernbrennstoff kommt es zur
Kontraktion in den zentralen
Gebieten. Die Hülle ist
nur noch locker gebunden.
langsame
Kontraktion
plötzliche
Kontraktion
weißer Zwerg
Supernova
schwarzes Loch
Neutronenstern
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Folie
Lernbereich 2: Kosmos, Erde und Mensch
Entwicklung von Sternen und Planeten
Interstellare
Wolke
K ONTRAKTION
starke Rotation
Verflachung
Doppel- oder
Mehrfachstern
Planetensystem
einzelner Stern
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.3 Lernbereich 3:
Licht als Strahl und Welle
das Brechungsgesetz und den Winkel der Totalreflexion
experimentell erarbeiten können. Das Prinzip des Lichtleitkabels, bei dem die Totalreflexion angewendet wird,
kann in unterschiedlicher Weise demonstriert werden:
Im Abschnitt „Licht als Strahl und Welle“ sollen die Schüler Gesetze der Lichtausbreitung auf optische Phänomene
anwenden (Licht als Strahl) und Kenntnisse über mechanische Wellen auf Licht übertragen (Licht als Welle).
Inhaltliche Schwerpunkte sind
− das Brechungsgesetz (quantitativ), einschließlich der
Totalreflexion, zur Erklärung und Vorhersage von
Strahlenverläufen,
− die Dispersion von Licht,
− der Nachweis von Beugung und Interferenz von Licht
als Beleg für seine Welleneigenschaften,
− die Modelle Lichtstrahl und Lichtwelle, die Zusammenhänge zwischen ihnen und Möglichkeiten der
Beschreibung verschiedener Erscheinungen mit diesen Modellen,
− der Zusammenhang zwischen Wellenlänge des Lichts
und seiner Farbe.
Lichtleitkabel
Lichtquelle
gebogener
Glasstab
Lichtquelle
Wasser
Lichtquelle
Tafelbild
Bei der Erarbeitung des Brechungsgesetzes kann an die
Kenntnisse der Schüler aus dem Physikunterricht der
Klasse 6 angeknüpft werden. Sie wissen, dass Licht, das
schräg auf die Grenzfläche zweier lichtdurchlässiger
Stoffe trifft, in der Regel gebrochen wird. Die Stärke dieser Richtungsänderung hängt von der Dichte der Stoffe
und von der Größe des Einfallswinkels ab.
Als Ursache für die Brechung erkennen die Schüler die
unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts
in verschiedenen Stoffen. Unter der Rubrik „Experimente“ im LB erhalten die Schüler eine Anleitung, wie sie
Die Ergebnisse aller Betrachtungen zur Totalreflexion
können in einem Tafelbild zusammengefasst werden.
Im Zusammenhang mit Brechung und Totalreflexion können die Schüler auf weitere interessante Erscheinungen
aufmerksam gemacht werden, beispielsweise auf Luftspiegelungen (s. Kopiervorlage)
Totalreflexion
β
αG
Beim Übergang Wasser–Luft oder Glas–Luft
wird bei bestimmten Winkeln sämtliches Licht
an der Grenzfläche reflektiert.
Diese Erscheinung heißt Totalreflexion.
Der Einfallswinkel, bei dem der Brechungswinkel
gerade 90° beträgt, heißt Grenzwinkel der Totalreflexion αG.
Es gilt:
sin αG =
c1
c2
Anwendung: Lichtleitkabel für Nachrichtenübertragung
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Folie
Lernbereich 3: Licht als Strahl und Welle
Brechung und Totalreflexion
Scheinbares Anheben von Gegenständen im Wasser
Auge
Luftspiegelung auf heißen Straßen (Fata Morgana)
Himmel
kalte Luft
heiße Luft
scheinbare
Wasserfläche
Luftspiegelung über kaltem Wasser
Warmluft
Kaltluft
Auge
Kaltes Wasser
Beobachtbarkeit der unter dem Horizont stehenden Sonne
Horizont
des Beobachters
Sonne
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Tafelbild
66
Zerlegung von weißem Licht
farbiges Licht
Weißes Licht besteht aus Licht unterschiedlicher Farben.
weißes Licht
Licht kann in Spektrafarben (Grundfarben)
zerlegt werden.
Prisma
Für Spektralfarben gilt:
− Weißes Licht besteht aus den Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett.
− Die Mischung aller Spektralfarben ergibt wieder Weiß.
− Licht einer Spektralfarbe ist nicht weiter zerlegbar.
Tafelbild
Ausgangspunkt für die Behandlung der Welleneigenschaften von Licht ist eine bei Schallwellen herausgearbeitete Erkenntnis, die etwa folgendermaßen formuliert
werden kann:
Bei Wellen treten Beugung und Interferenz auf. Beides
sind Eigenschaften, die charakteristisch für Wellen sind.
Eine Folgerung daraus ist: Wenn bei einer Erscheinung
(z. B. Licht) Beugung und Interferenz auftreten, dann hat
diese Erscheinung Welleneigenschaften.
Beugung an schmalen Spalten und Hindernissen sowie
Interferenz an Gittern lassen sich in einem gut abgedun-
kelten Raum problemlos experimentell nachweisen. Die
Frage, warum Interferenz nicht überall in unserer Umgebung zu beobachten ist, führt unmittelbar zum Problem
des kohärenten bzw. des inkohärenten Lichts. Die Tiefe
der Behandlung dieses Problems sollte vom Leistungsvermögen der Schüler abhängig gemacht werden.
Die Zusammenhänge zwischen den Modellen Lichtstrahl
und Lichtwelle können an einigen Beispielen gut verdeutlicht werden. Die beiliegende Übersicht kann dabei
als Kopiervorlage genutzt werden.
Eigenschaften von Licht
An schmalen Spalten und Hindernissen wird
Licht gebeugt.
Hinter optischen Gittern überlagert sich das
gebeugte Licht. Es tritt Interferenz auf.
Schirm
Die Intensität des gebeugten Lichts ist gering.
Auf einem Schirm sind Bereiche der Verstärkung
(helle Streifen, Aufhellung) und Auslöschung
(dunkle Bereiche) zu beobachten.
Aus dem Auftreten der Welleneigenschaften Beugung und Interferenz bei Licht kann gefolgert werden:
Licht hat Welleneigenschaften.
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Arbeitsblatt
Lernbereich 3: Licht als Strahl und Welle
Interferenz am Doppelspalt
1. Unter welchen Bedingungen treten bei Licht zeitlich stabile Bereiche der Verstärkung bzw. der
Auslöschung auf?
2. Zeichne für Licht einer Wellenlänge die von zwei Spalten (Doppelspalt) ausgehenden Wellen!
Markiere im Bereich der Überlagerung der Wellen und auf dem Schirm die Bereiche der maximalen Verstärkung und der Auslöschung! Wähle als Abstand der Wellenfronten 1 cm!
Schirm
3. Wie verändert sich die Lage der hellen Streifen auf dem Schirm, wenn man die Wellenlänge
größer wählt? Begründe!
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Folie
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Lichtstrahl und Lichtwelle
In der Physik werden Modelle genutzt, um physikalische Erscheinungen
beschreiben, erklären und voraussagen zu können. Für ein Modell gilt:
− Es stimmt in einigen Merkmalen oder Eigenschaften mit dem
Original überein, in anderen nicht.
− Es ist nur innerhalb bestimmter Grenzen gültig und sinnvoll
anwendbar.
− Es ist weder richtig noch falsch, sondern zweckmäßig und geeignet
oder unzweckmäßig und nicht geeignet.
Für ein und dasselbe Original können verschiedene Modelle genutzt
werden.
Licht
kann beschrieben werden mit den Modellen
Lichtstrahl
Ein Lichtstrahl veranschaulicht den
Weg des Lichts.
Das Modell eignet sich gut zur Beschreibung
− der geradlinigen Lichtausbreitung,
− der Schattenbildung,
− der Reflexion und Brechung.
Lichtwelle
Eine Lichtwelle veranschaulicht den Charakter von Licht
als elektromagnetische Welle.
Das Modell eignet sich gut zur
Beschreibung
− der Beugung,
− der Interferenz.
Zwischen den beiden Modellen für das Licht gibt es Zusammenhänge:
Stoff 1
L
Stoff 2
Die Lichtstrahlen stehen senkrecht auf den Wellenfronten.
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Lernbereich 4: Hertzsche Wellen
Im Abschnitt Hertzsche Wellen sollen die Schüler Einblicke in die Geschichte der Entdeckung und Nutzung
hertzscher Wellen sowie in das Wirkprinzip technischer
Anwendungen hertzscher Wellen gewinnen, wesentliche
Eigenschaften von hertzschen Wellen kennen und ihre
Kenntnisse über Licht auf das elektromagnetische Spektrum übertragen können.
Die Schüler
− wissen, dass elektromagnetische Schwingungen in
Schwingkreisen erzeugt werden können und dabei
eine ständige Umwandlung von Energie des elektrischen Felds in die des magnetischen Felds und umgekehrt erfolgt,
− verstehen hertzsche Wellen als Ausbreitung hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen im Raum,
− kennen die Eigenschaften hertzscher Wellen und können sie nachweisen,
− verstehen aus dem Vergleich der Eigenschaften von
Licht und hertzschen Wellen, dass Licht ein elektromagnetischer Sachverhalt ist,
− lernen das Wirkprinzip technischer Anwendungen
wie Handynetze, Radartechnik und Radioteleskopen
kennen.
Die Darstellung zu diesem Abschnitt ist im LB bewusst
relativ ausführlich, die Abfolge der Themen könnte
auch die Abfolge im Unterricht sein.
Eine Ergänzung des Themas erfolgt im Wahlpflichtbereich „Kommunikation mit elektronischen Medien“, in
dem auf Probleme der Digitaltechnik und der Informationsübertragung mit hertzschen Wellen eingegangen
wird. Nachfolgend wird deshalb auf weitere Hinweise
verzichtet. Es sind lediglich einige Vorschläge für TB und
Arbeitsblätter angegeben.
Tafelbild
4.4 Lernbereich 4: Hertzsche Wellen
Der Schwingkreis
Kondensator
Spule
Ein Schwingkreis ist ein geschlossener Stromkreis
mit Kondensator und Spule.
Wird der Kondensator aufgeladen und der Stromkreis geschlossen, so entstehen elektromagnetische
Schwingungen.
Energie des elektrischen Felds im Kondensator wird in Energie des magnetischen Felds der Spule
umgewandelt und umgekehrt.
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Arbeitsblatt
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
Eigenschaften und Ausbreitung hertzscher Wellen
1. Zeichne in die folgenden Skizzen den weiteren Verlauf der Ausbreitung hertzscher Wellen ein!
a)
b)
Metall
Isolator
s
s
Metall
c)
d)
s
Metall
s
2. Hertzsche Wellen werden von einem Sender abgestrahlt. Zeichne mögliche Wege der hertzschen
Wellen vom Sender zum Empfänger ein!
Nachrichtensatellit
reflektierende Schicht
Empfänger 1
Sender
Empfänger 2
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Folie
Lernbereich 4: Hertzsche Wellen
Sendung und Empfang hertzscher Wellen
Blockschaltbild eines Senders
NF-Schwingung
modulierte HF-Schwingung
Mischkreis
Mikrofon
HFGenerator
modulierte
HF-Wellen
Verstärker
HF-Schwingung
Schwingkreis
Antenne
Blockschaltbild eines Empfängers
HF-Schwingung
NF-Schwingung
ankommende
modulierte
HF-Wellen
Antenne
Demodulator
Abstimmkreis
verstärkte NF-Schwingung
Verstärker
Schallwellen
Lautsprecher
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
4.5 Lernbereich 5:
Physikalisches Praktikum
Die für das physikalische Praktikum vorgesehenen 8 Stunden sollen der Wiederholung, Systematisierung, Vertiefung und Anwendung des bisher erworbenen Wissens
und Könnens dienen. Vertieft wird dabei auch die Methodenkompetenz der Schüler und ihre Sozialkompetenz, indem sie in Gruppen arbeiten und damit jeder für
den Erfolg der Arbeit mitverantwortlich ist.
Die Schüler sollen im Praktikum vor allem ihre Kenntnisse
über die experimentelle Methode in der Physik beim
selbstständigen Erarbeiten neuen Wissens anwenden und
Probleme bei komplexen Anforderungen lösen können.
Das Lehrbuch enthält Anleitungen zu folgenden Themen:
− Bilder an Sammellinsen (Anwendung der experimentellen Methode)
− Linsengleichung (Experiment dient der Bestätigung
eines theoretisch hergeleiteten Gesetzes)
− Hemmungspendel (Problemlösen mithilfe eines Vorversuchs)
− Resonanz von gekoppelten Pendeln (Erarbeitung
neuen Wissens)
− Wellenlänge von Schallwellen (Verstehen eines Messprinzips)
− das hookesche Gesetz (Anwendung der experimentellen Methode, Zusatzaufgabe)
Eine mögliche Aufgliederung der Stundenzahl ist die Folgende: 1 Stunde Einführung in das Praktikum
6 Stunden experimentelle Arbeit
1 Stunde Auswertung des Praktikums
Sehr zu empfehlen ist eine Einführung in das Praktikum.
Bestandteile dieser Einführung sollten sein:
− Bekanntmachen der Schüler mit den Zielen und Inhalten;
− Erläuterung und Festlegung der Organisationsformen
(Arbeit in Zweiergruppen, Ablaufplan, Doppelstunden mit Auswertung des Experiments oder Einzelstunden mit häuslicher Auswertung);
− Festlegung zum Protokoll (Anforderungen an Inhalt
und Form; ein Protokoll pro Gruppe, Nutzung von
mm-Papier usw.). Als sinnvoll hat es sich erwiesen, den
Schülern ein Muster wie im LB in die Hand zu geben.
Es sollte der Gliederung der Experimentieranleitung
entsprechen;
− Belehrung über das Verhalten im Praktikumsraum
und beim Experimentieren (Arbeits- und Brandschutzbelehrung);
− Erläuterung von Festlegungen zur Kontrolle und Bewertung (Kontrollgespräche, Bewertung mit Punkten).
Für die Bewertung hat es sich bewährt, die unterschiedlichen Aspekte, die bei einem Experiment eine Rolle spielen, mit Punkten zu bewerten, z. B. in folgender Weise:
3 Punkte: selbstständig und richtig
2 Punkte: kleine Hilfen des Lehrers, geringe Fehler
1 Punkt: erhebliche Hilfe des Lehrers, größere Fehler.
In der nachfolgenden Übersicht sind Kriterien genannt,
die für ein Experiment in der Regel bewertet werden
können. Den Schülern kann auch Material in die Hand
gegeben werden, in dem wichtige inhaltliche und organisatorische Hinweise zusammengestellt sind. Nachfolgend ist ein Beispiel für ein solches Material angegeben.
Gruppe
Nr. des Experiments
Aufbau des Experiments
Experimentelle Handlungen
Messwerte
Antworten im Kontrollgespräch
Antworten zu den Vorbetrachtungen
Berechnungen
grafische Darstellung
Formulierung des Ergebnisses
Gesamtpunktzahl
Zensur
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Folie
Lernbereich 5: Physikalisches Praktikum
Hinweise zum physikalischen Praktikum
Ziele des Praktikums
Mit dem physikalischen Praktikum sollst du deine bisher erworbenen
Kenntnisse und dein experimentelles Können für die Lösung einer Aufgabenstellung anwenden. Dazu ist auch Wissen aus früheren Schuljahren zu wiederholen und für die jeweilige Aufgabenstellung aufzubereiten. Kenntnisse, Fähigkeiten und Verhaltensregeln, die du beim
Experimentieren im Unterricht erworben hast, sind anzuwenden bzw.
zu beachten. Ein Schwerpunkt der Experimente liegt bei diesem Praktikum neben der Vertiefung des Wissens vor allem auf der Untersuchung
von Zusammenhängen zwischen physikalischen Größen und der möglichst genauen Bestimmung von Werten physikalischer Größen.
Dabei kann die Auswertung der in einer Tabelle erfassten Menge von
Messwertepaaren grafisch und rechnerisch vorgenommen werden. In
der nachfolgenden Übersicht findest du Hinweise, woran sich typische
Abhängigkeiten erkennen lassen.
Grafische Darstellung der
Abhängigkeit (y-x-Diagramm)
y
x
Vermutlich vor- y ~ x
liegende Proportionalität
Rechnerische
Bestätigung
der Proportionalität
y
y
y
}​ x ​= konst.
y
x
x
x
y ~ x2
y~}
​ 1x ​
}
y ~ ​√ x ​ ​ y2 ​= konst.
}
y · x = konstant
​   y ​= konst.
}
}
x
 
​√ x ​ Bei der Bestimmung von Werten physikalischer Größen ist auf Fehlerquellen zu achten; sie sind bewusst durch entsprechende Maßnahmen
zu minimieren. Der Einfluss zufälliger Fehler ist z. B. durch Mittelwertbildung aus einer hinreichenden Zahl von Messungen zu verringern.
Beachte dabei: Um unvermeidliche Messfehler klein zu halten, muss
man sich vor der Messung überlegen, welche Fehler auftreten können
und wie man sie verringern kann.
Nach einer Messung kann man nur noch abschätzen, wie groß der Fehler sein könnte. Er lässt sich aber nicht mehr beeinflussen.
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Empfehlungen und Materialien zur Unterrichtsgestaltung
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Hinweise zur Organisation
1. Im Praktikum arbeitet ihr in Zweiergruppen, wobei ihr auch die Organisation der gemeinsamen Arbeit selbstständig absprecht.
2. Die Anleitung zum jeweiligen Experiment forderst du eine Unterrichtswoche vor der Durchführung des Experiments vom Lehrer an.
Anhand dieser Anleitung bereitest du dich gedanklich auf das Experiment vor. Zum Experiment ist ein ausführliches Protokoll anzufertigen, das in der Regel als Hausarbeit vorzubereiten und am Ende
der Experimentierstunde (eine Doppelstunde) fertiggestellt zur
Bewertung abzugeben ist.
Beide Partner müssen zum Experiment vorbereitet sein und sind für
den fachlichen Inhalt des Protokolls gemeinsam verantwortlich. Für
die Ausfertigung des Protokolls soll abwechselnd jeweils ein Partner
Verantwortung übernehmen.
3. Jede Experimentieranordnung darf erst in Gang gesetzt werden,
wenn vom Lehrer oder Fachhelfer die Erlaubnis erteilt wurde.
4. Alle Geräte sind sorgfältig zu behandeln. Überprüfe zu Beginn anhand der ausliegenden Karteikarte die Vollständigkeit der Geräte
und stelle noch fehlende bereit. Sorge dafür, dass alle Geräte genügend Standfestigkeit besitzen, dass keine Beschädigung durch
Stöße, durch Berührung mit Wärmequellen oder durch Überlastung
eintreten.
5. Für die Messung elektrischer Größen gilt:
– Bei Einzelmessungen wird auf den günstigsten Messbereich heruntergeschaltet, um den Gerätefehler möglichst klein zu halten.
– Bei der Untersuchung einer Abhängigkeit von Größen wird nach
Möglichkeit der Messbereich nicht gewechselt.
6. Bemerkte Schäden, beobachtete Unregelmäßigkeiten (Ausschalten!)
und Verletzungen sind dem Lehrer sofort zu melden.
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Hinweise zu den Experimenten und Beobachtungen des Lehrbuchs
5
Hinweise zu den Experimenten und Beobachtungen des Lehrbuchs
Mechanische Schwingungen und Wellen
Mechanische Schwingungen (LB S. 24)
1. Bei der Interpretation der Gleichung für die Schwingungsdauer ist besonders auch die Größe zu benennen,
die konstant gehalten werden muss. Beim Ermitteln
der Pendellänge ist darauf zu achten, dass vom Aufhängungspunkt bis zum geschätzten Schwerpunkt des
Pendelkörpers gemessen wird. Die Pendellänge sollte
in Zehnerschritten zwischen 10 cm und 50 cm variiert
werden. Dann ergeben sich folgende Messergebnisse:
l in cm
10
20
30
40
50
T in s
0,63
0,9
1,1
1,26
1,42
Die Schüler sollten für zwei Pendellängen die Erdbeschleunigung berechnen. Für 20 cm ergibt sich
g = 9,74 m/s2 und für 50 cm g = 9,79 m/s2. Die Abweichungen ergeben sich aus den Messfehlern für die
Pendellänge und die Zeit.
Ein Sekundenpendel müsste ca. 1 m lang sein.
2. Das Experiment eignet sich auch als Hausexperiment.
Beim Vergleich der Ergebnisse der Schüler wird deutlich, dass der Pulsschlag nicht nur von Mensch zu
Mensch unterschiedlich ist, sondern auch von der momentanen physischen und psychischen Belastung abhängt. Der Pulsschlag ist daher für eine Zeitmessung
ungeeignet.
3. Mit dem Experiment vertiefen die Schüler ihre Kenntnisse über den Zusammenhang von m, D und T. Für
leistungsstärkere Schüler kann eine Darstellung der
Messwerte mithilfe eines Computers in einem T-mDiagramm gefordert werden. Sie können sich dabei
an der Rubrik „Physik-Klick“ im LB S. 14/15 orientieren. Erhalten alle Schüler bzw. alle Schülergruppen
möglichst verschiedene Federn, kann der Zusammenhang T~ 1/D bei m = konstant überprüft werden.
Mechanische Wellen (LB S. 42)
1. b) Je nachdem, wie die Fadenpendel zum Schwingen
gebracht werden, kann man Längswellen bzw.
Querwellen beobachten. Im Falle der Federschwinger wird der erste zu Auf- und Abbewägungen angeregt.
Wird das erste Pendel bzw. der erste Federschwinger angestoßen, so nimmt die Amplitude des angestoßenen Pendels (Federschwingers) zunächst ab,
die des anderen dagegen zu. Haben beide Pendel
(Federschwinger) die gleiche Schwingungsdauer,
so kommt das erste Pendel (der erste Federschwinger) nach einiger Zeit ganz zur Ruhe. Das zweite
hat seine größte Auslenkung erreicht. Der Vorgang wiederholt sich in umgekehrter Richtung.
c) Je größer die Masse ist, desto schneller hat das
erste Pendel bzw. der erste Federschwinger seine
Energie vollständig an das zweite Pendel bzw. den
zweiten Federschwinger übertragen.
d) Je größer die Masse, desto stärker die Kopplung.
2. Die markierte Stelle führt eine Hin- und Herbewegung
aus, wenn eine Welle durch das Seil „entlangläuft“.
3. Allgemein kann die Geschwindigkeit über Weg- und
Zeitmessungen ermittelt werden. Für Wasserwellen
kann man z. B. folgendermaßen vorgehen: Es wird die
Entfernung zwischen zwei markanten Punkten (z. B.
Pfahl im Wasser und Punkt in Ufernähe) bestimmt (direkte Messung, trigonometrische Bestimmung). Dann
wird die Zeit gemessen, in der sich ein Wellenberg
von Punkt zu Punkt bewegt. Hinweis: Die Verbindungslinie der beiden Punkte muss näherungsweise
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Wellen sein.
4. Dieses Experiment ist auch als Hausexperiment geeignet. In Abhängigkeit vom Material der Tischplatte
werden die Schüler das Ticken unterschiedlich laut
hören. Erklärung: Die schwingungsfähigen Teilchen
der Tischplatte erhalten von der tickenden Uhr Energie und werden so selbst zu Schwingungen angeregt.
Dadurch breitet sich die Schwingung durch die Tischplatte hindurch aus. Stoff wird dabei nicht transportiert, sondern nur Energie.
5. Mithilfe eines Fadentelefons werden Sprachschwingungen (Schall) übertragen. Der Bindfaden ist der Schallträger. Die Verständigung verbessert sich bei einem Metalldraht, da dieser den Schall besser überträgt.
6. Die Musik wird lauter. Erklärung: Ein Hörrohr ist wie
ein Trichter aufgebaut. Der Schall (Musik) gelangt aus
Richtung der Schallquelle in den Trichter, wird an der
Innenwand reflektiert und gelangt direkt ins Ohr.
Damit werden Schallwellen gebündelt, der Ton wird
lauter. Die Skizze zeigt vereinfacht Aufbau und Wirkungsweise.
Ohr
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Hinweise zu den Experimenten und Beobachtungen des Lehrbuchs
Kosmos, Erde und Mensch
Beobachtungen von Sternen und Planeten (LB S. 93)
Beobachtungsaufgabe 1:
a) – e) Das Hauptziel dieser Aufgabe besteht darin, den
Schülern die jährliche Lageänderung der Sterne zu
verdeutlichen. Beobachtet man den Großen Wagen stets zur gleichen Tageszeit, dann führt er im
Laufe eines Jahrs scheinbar eine Volldrehung um
den Polarstern aus. Nach drei Monaten sollte für
den durch Beobachtung geschätzten Drehwinkel
x also rund x/360° = 3 Monate/12 Monate = 0,25,
also x = 90° gelten.
Im Beobachtungsprotokoll muss neben dem geschätzten Winkel von ca. 90° auch die scheinbare
Drehrichtung des Großen Wagens bezüglich des
Polarsterns – „entgegen dem Uhrzeigersinn“ – beschrieben sein.
Polarstern
x
N
x = 90°
3 Monate später
(hier Herbst und Winter)
f) Die korrekte Erklärung der beobachteten Lageänderung fällt den Schülern erfahrungsgemäß nicht
leicht und sollte daher bei der Bewertung der Beobachtungsaufgabe nicht zu stark gewichtet werden.
Als relativ einfache Lösungsvariante ist eine Antwort auf der Grundlage der drehbaren Sternkarte
denkbar: Man stellt für zwei Beobachtungstermine
Azimut und Höhe des Großen Wagens fest und ermittelt daraus die Lageänderung.
Eine Variante für eine sehr umfassende Erklärung
wird mithilfe der Abbildung unten gegeben.
Sie zeigt die Erde auf ihrer Bahn um die Sonne an zwei
Beobachtungsterminen, hier beispielhaft (und um den Effekt möglichst deutlich zu präsentieren) sogar mit einem
zeitlichen Abstand von sechs Monaten – nicht nur drei
Monaten, wie in der Aufgabe gefordert.
In den Bahnpositionen 1 und 2 betrachtet ein irdischer
Beobachter um die Mitternachtszeit sowohl den Himmelspol als auch das Sternbild Großer Wagen. Da die
Sterne und der Pol praktisch unendlich weit entfernt
sind, ändert sich die absolute Blickrichtung des Beobachters zu diesen Objekten natürlich im Laufe der Zeit nicht.
Allerdings hat sich infolge der Bahnbewegung und der
Erddrehung die Lage des Beobachterhorizonts gegenüber den unveränderlichen Blickrichtungen geändert. In
der Erdbahnstellung 1 liegt der Große Wagen zwischen
Himmelspol und Zenit, in der Position 2 befindet sich der
Himmelspol zwischen Zenit und dem Sternbild. Von der
Erde aus gesehen gewinnt man insgesamt im Laufe eines
Jahrs den scheinbaren Eindruck, als hätte sich das Sternbild entgegen dem Uhrzeigersinn um den Pol gedreht.
Beobachtungsaufgabe 2:
Vor der Durchführung der Schülerbeobachtung beachte
man unbedingt die folgenden Hinweise!
− Die Schüler sind unter allen Umständen zu belehren
und insbesondere auf die großen Gefahren hinzuweisen, die beim direkten Fernrohrblick auf die Sonne für
das Augenlicht drohen. Selbst kürzeste Beobachtungszeiten durch das Okular schädigen das Sehvermögen
irreparabel! Die indirekte Beobachtungsmethode der
Sonnenprojektion ist ein absolut sicheres Verfahren.
− Wer gänzlich auf den Einsatz des Fernrohrs verzichten
möchte, kann ebenso erfolgreich das Prinzip der Lochkamera für die Sonnenbeobachtung nutzen. Eventuell
reicht hierfür ein in Südrichtung gelegener Klassenraum
mit guter Verdunklungsmöglichkeit aus. Der Lochdurchmesser reguliert die Helligkeit des Sonnenbilds,
dessen geeignete Größe ist in Abhängigkeit von den
Beobachtungsverhältnissen empirisch zu ermitteln.
− Man achte sorgfältig darauf, nur geschraubte und
nicht geklebte Okulare zu verwenden. Bei Letzteren
schmilzt infolge der Sonnenhitze die Klebeverbindung, das Okular wird zerstört!
zum Himmelspol
zum Himmelspol
zum Sternbild
zum Sternbild
Zenit
Zenit
Horizont
Sonne
2
Horizont
1
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Hinweise zu den Experimenten und Beobachtungen des Lehrbuchs
a)
Das Sonnenbild sollte den scharfen Sonnenrand
wiedergeben. Man kann die Schüler auf die Helligkeitsabnahme zum Sonnenrand hinweisen, die
lt. Lehrplan jedoch nicht weitergehend erklärt
wird. Grundsätzlich erscheint die Mitte der „Sonnenscheibe“ etwas heller als der Rand, weil man
dort senkrecht auf tiefere Sonnenregionen schaut,
die relativ heiß sind.
b) Sonnenflecken sind sporadisch entstehende und
wieder vergehende Gebilde. Man sollte die Schüler auf die innere Struktur der Flecken hinweisen: dunkle Mitte und etwas aufgehellter Rand
(Umbra, Penumbra). Flecken oder Fleckengruppen
treten zumeist paarweise auf – ein Hinweis auf
den magnetischen Ursprung der Fleckenentstehung. (Man denke an den Feldlinienverlauf (magnetischer Nord- und Südpol) in der Umgebung
eines Hufeisenmagneten!)
c), d) Diese Teilaufgaben zielen darauf ab, die Lageänderung der Sonnenflecken im Laufe der Zeit
wahrzunehmen. Diese resultiert kaum aus einer
Lageänderung der Flecken relativ zur Sonnenoberfläche, sondern ist im Wesentlichen die Folge
der Sonnenrotation. Da sich im Laufe eines Jahrs
die Stellung der Sonnenrotationsachse bezüglich
des irdischen Beobachters ändert, kann man aus
einer bloßen, hier angestrebten Feststellung der
Positionsverschiebung keine weiteren Aussagen
zu einer absoluten Ortsänderung treffen. Sicher
kann man aber z. B. beobachten, dass im Laufe der
Zeit Flecken „hinter“ der „Sonnenscheibe“ verschwinden (eine Folge der Sonnendrehung) und
dass die Flecken ihre Ausdehnung und Gestalt ändern, sich also entwickeln (Flecken entstehen und
vergehen).
Beobachtungsaufgabe 3
a) Mit Taschenspektroskopen wird – wie allgemein in
Spektralapparaten – die Zusammensetzung des Sternlichts untersucht. Joseph von Fraunhofer entdeckte
1814 bei der Untersuchung des Sonnenlichts zahlreiche dunkle Linien, die heute als fraunhofersche
Linien bezeichnet werden. Diese fraunhoferschen
Linien kommen überwiegend durch Absorption des
Lichts in der Sonnenatmosphäre zustande und geben
uns Auskunft über die dort vorhandenen Elemente.
Die Linien sind jedoch nicht absolut dunkel, sondern
in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung des absorbierenden Gasgemischs, in ihrer Intensität reduziert.
Ein Spektroskop besteht im Wesentlichen aus einem
Spalt, durch den das weiße Licht von der Sonne über
eine Linse auf ein Prisma gelenkt wird. Das Prisma bewirkt die Zerlegung des Lichts in einzelne Wellenlängen, die man als Farben wahrnehmen kann. Neben
diesen Spektralfarben erkennt man auch noch dunkle Linien, aus deren Lage man auf die Anwesenheit
bestimmter chemischer Elemente in einer Sternfotosphäre schließen kann.
b) Die zu beobachtenden Spektrallinien sind im LB, S. 89,
für einige Sterne, so auch die Sonne, dargestellt.
Vorbemerkung zur Beobachtungsaufgabe 4:
Die Lösung der Beobachtungsaufgaben 4 erfordert den
Einsatz eines Schulfernrohrs. Erfahrungsgemäß wirken
die ersten Schülerzeichnungen von Himmelsobjekten
unbeholfen, da die Lernenden größere Probleme bei der
Einschätzung der relativen Größe und der räumlichen Lageverhältnisse haben. Die Schüler benötigen also Beobachtungszeit am Fernrohr, pro Schüler wenigstens 5 Minuten als absolutes Minimum. Viele Schüler müssen sich
erst an den Blick durch ein Fernrohr gewöhnen. Da man
im Regelfall nur über ein Teleskop verfügt, sollte man einen Stationsbetrieb etablieren.
Beobachtungsaufgabe 4
Für Planetenbeobachtungen gilt grundsätzlich: Wähle
möglichst eine sehr hohe Fernrohrvergrößerung!
a) Auf der Venus kann man lediglich die Leuchtgestalt
(Phasengestalt) erkennen.
b) Bei Jupiter sollten die Schüler dunkle Wolkenbänder
wahrnehmen und die vier, fast genau in seiner Linie
stehenden galileischen Jupitermonde. Durchaus kann
man zufällig auch weniger als vier Monde sehen –
nämlich genau dann, wenn ein Mond genau vor oder
hinter Jupiter steht. Vor einer Benotung der Schülerbeobachtung sollte man sich also über die gerade aktuelle Mondkonstellation vergewissern!
c) Der Planet und sein Ring, eventuell auch Wolkenstrukturen, sollten deutlich erkannt werden. Zu gewissen Zeiten, blickt man von der Erde genau auf die
Kante des Saturnrings. Da der Ring nur eine geringe
Dicke besitzt, kann man ihn dann im Schulfernrohr
nicht wahrnehmen.
Licht als Strahl und Welle
Eigenschaften des Lichts (LB S. 111)
1. Die Schüler können an ihre Kenntnisse aus dem Physikunterricht der Klasse 6 anknüpfen. Die erhöhten
Anforderungen in Klasse 10 ergeben sich durch die
quantitative Beschreibung des Brechungsgesetzes. Es
ist zweckmäßig, für sechs verschiedene Einfallswinkel
zwischen 0° und 90° die zugehörigen Brechungswinkel
zu messen. Prinzipiell ist es ausreichend, die Auswertung für den Übergang von Luft in Glas vornehmen
zu lassen, um die Gleichung für das Brechungsgesetz
aufzufinden. Die Überprüfung der Gültigkeit des Gesetzes für den Übergang von Glas in Luft kann auch in
einer Hausaufgabe erfolgen.
Einige Schüler erkennen erfahrungsgemäß den Qualitätsumschlag zur Totalreflexion nicht selbstständig.
Die bewusste Beobachtung dieser Erscheinung sollte
aber Grundlage für die unterrichtliche Behandlung
der Totalreflexion sein, bevor der 2. Teil der Aufgabe
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Hinweise zu den Experimenten und Beobachtungen des Lehrbuchs
bearbeitet wird. Zur Berechnung des Grenzwinkels
müssen die Schüler die Bedingung β = 90° erkannt haben. Das Experiment lässt sich auch mit einer Küvette
oder einer planparallelen Platte ausführen, wenn einfallender und gebrochener Strahl auf untergelegtem
Papier gekennzeichnet werden. Die Winkel können
danach ausgemessen werden.
2. Zu beobachten sind typische Interferenzerscheinungen. Feines Gewebe oder Vogelfedern wirken wie
ein optisches Gitter. Hinweis: Bei Gewebe handelt es
sich um ein Kreuzgitter, auf das im Unterricht in der
Regel nicht näher eingegangen wird.
3. Erfahrungsgemäß benötigen die Schüler geraume
Zeit, bis sie herausgefunden haben, in welcher Position und in welchem Abstand das Prisma zu halten ist
und was die eigentliche Beobachtung ausmacht. Beim
weißen Papierstreifen erscheinen alle Spektralfarben.
Das Farbspektrum bei andersfarbigen Papierstreifen
variiert in Abhängigkeit der Farbe des Streifens.
4. Durch das Prisma kann man verschiedenfarbige
Streifen beobachten. Das von der Leuchtstofflampe
kommende Licht wird durch das Prisma in verschiedenfarbiges Licht zerlegt. Während bei einer Leuchtstofflampe verschiedenartige Streifen zu beobachten
sind, sieht man bei Verwendung einer Glühlampe
keine Streifen, sondern ein kontinuierliches Farbband
von Rot bis Violett.
5. Das Experiment ist für die Vertiefung wellencharakteristischer Eigenschaften des Lichts geeignet. Es erfordert hinreichende Fertigkeiten zur Justierung der
Experimentiereinrichtung. Die Berechnung kann in
Anlehnung an die Bestimmung der Wellenlänge von
rotem Licht erfolgen, wie sie im LB, S. 110 dargestellt
wurde.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
6
Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Mechanische Schwingungen (LB S. 25 – 26)
1. a) Die Zeiger der Uhr rotieren um den Mittelpunkt.
Sie führen keine Schwingung aus, da sie sich nicht
zwischen zwei Punkten um eine Ruhelage hin und
her bewegen.
b) Die Ruder bewegen sich um eine Ruhelage und
führen damit eine Schwingung aus.
c) Der Klöppel und die Glocke bewegen sich beim
Läuten um eine Ruhelage und führen damit eine
Schwingung aus.
d) Die Windräder rotieren um den Mittelpunkt. Sie
führen keine Schwingung aus, da sie sich nicht zwischen zwei Punkten um eine Ruhelage hin und her
bewegen.
2. a) f = n/t
f = 120/60 s
f = 2 Hz
b) Der Sekundenzeiger rückt nach jeweils 2 Schwingungen weiter.
3. ymax = 1,6 mm
T = 0,0 025 s
f = 400 Hz
2
gPol = 9,83 m/s2
6. Es liegt eine ungedämpfte harmonische Schwingung
vor. Die Frequenz beträgt f = 1/T = 1/0,01 s = 100 Hz.
7. Aufbau: siehe Abbildungen
Wirkungsweise: Wenn das Auto auf einer unebenen
Straße fährt, wird die Aufhängung an der Karosserie
bei einer Erhebung mit der Dichtung ins Innere des
Zylinders gedrückt. Das Öl, das den Kolben der Aufhängung umgibt, stellt hierbei einen Widerstand dar,
durch den Reibung entsteht. Das Öl durchfließt die
Ventile, sodass sich der Kolben ins Innere hinein bewegt. Im Zylinder selbst wird das Öl und ein Gas durch
die flexible Trennwand getrennt. Wenn der Kolben
durch einen Stoß in den Zylinder hineindrückt, wird
das Gas hinter der Trennwand zusammengedrückt.
Lässt der Druck auf das Gas nach, dehnt es sich aus
und schiebt so die Trennwand und damit auch den
Kolben mit der Karosserieaufhängung nach oben. Dabei muss das Öl wieder durch die Ventile. Der Kolben
schwingt in dem Öl hin und her und wird dabei stark
gedämpft.
}
​ m
​ ​ , T = 0,397 s, f = 2,5 Hz
8. a) T = 2π ∙​ √ }
D
 
10.Durch den Wind wird der Brücke Energie zugeführt.
Die Brücke beginnt zu schwingen. Wind tritt nicht als
gleichmäßiger Luftstrom auf, sondern in Böen. Wenn
die Windböen in annähernd denselben Abständen
auftreten, entspricht dies einer Erregerschwingung mit
einer fast konstanten Erregerfrequenz. Ist diese Erregerfrequenz gleich der Eigenfrequenz der Brücke und
erfolgt die Energiezufuhr im richtigen Rhythmus, so
kann es zu einer Resonanzkatastrophe (Zerstörung der
Brücke) kommen. Das war bei dieser Brücke der Fall.
11.Durch das Ziehen am Seil wird der Glocke Energie zugeführt. Die Glocke beginnt zu schwingen. Wird ihr in
der Eigenfrequenz und im richtigen Rhythmus Energie zugeführt, so vergrößert sich aufgrund von Resonanz die Amplitude. Sie wird schließlich so groß, dass
der Klöppel an den Rand der Glocke trifft. Die Glocke
beginnt zu läuten.
12.Die Schwingungsenergie der Stimmgabel wird auch
auf den Holzkasten übertragen. Dadurch beginnt der
Holzkasten zu schwingen. Diese Erregung erfolgt aber
nicht nur einmalig, sondern so lange, wie die Stimmgabel schwingt. Die Amplitude der Schwingung wird
größer und der Ton dadurch lauter und besser hörbar. Der Holzkasten wirkt als Resonanzkörper.
4. T = 16,4 s
f = 0,06 Hz
· l
​ 4 π ​ 5. g = }
T 2
gÄquator = 9,78 m/s2
9. T = 1/f
T = 1 · s/440
T = 0,0 023 s
13.Wenn das Auto durch das Anschieben zu schaukeln anfängt, geschieht dies mit einer bestimmten Frequenz.
Wenn es immer weiter mit annähernd der gleichen
Frequenz angeregt wird, so kann die Schwingungsamplitude schließlich so groß werden, dass das Auto
bei einer in Fahrtrichtung gerichteten Kraft aus der
Kuhle herauskommt.
14.a)
b)
c)
d)
Stimmgabeln
Glocke
Saite, Holzkörper mit darin befindlicher Luft
Verbrennungsmotor, Auspuffanlagen, Karosserieteile
15.Beispiele:
Schallquellen
Was schwingt?
Gitarre
Saiten
Trompete
Luftsäule
Klavier
Saiten
Mensch
Stimmbänder
Auto
Teile des Motors
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
16.a) ist leiser als b, weil bei a) die Schwingungen nicht
so heftig sind.
a) ist tiefer als b), weil bei a) weniger Schwingungen
pro Zeiteinheit erfolgen.
Projekt: Lärm und Lärmschutz (LB S. 40 – 41)
1. Gruppenarbeit
2. Antwort ortsabhängig
3. Beachtet werden sollte: Obwohl es durch Maßnahmen zur Lärmdämmung von Pkw (Motor- und Reifengeräusche) in den letzten Jahren gelungen ist, die
Lautstärke je Pkw im Durchschnitt um 3 dB zu senken,
hat sich gleichzeitig die Anzahl der Pkw und die Verkehrsdichte verdoppelt.
Das bedeutet, dass die Lärmbelastung annähernd
gleich geblieben ist.
4. Maßnahmen zur Schalldämmung bei Häusern:
− Dämmung des von außen kommenden Schalls
durch glatte Außenwände, Schallschutzfenster,
schallabsorbierende Schichten
− Dämmung innerhalb des Hauses durch schallabsorbierende Schichten in Fußböden und Wänden,
Teppiche und Auslegeware
Dabei wird genutzt, dass Schall von bestimmten Materialien
− gut absorbiert wird,
− reflektiert wird und
− sich nur in Stoffen ausbreitet.
5. Außer einer anhaltenden Schädigung des Gehörs können andere gesundheitliche Schäden auftreten: Erhöhung des Blutdrucks, Beschleunigung der Atmung,
Schlafstörungen, Kopf- und Magenschmerzen.
Mechanische Wellen (LB S. 43 – 44)
1. a) Bild a: Wasserwellen laufen auf den Strand zu.
Räumlich und zeitlich periodisch ändert sich z. B.
die Auslenkung.
Es liegen mechanische Wellen vor.
Bild b: Die Unruh einer Uhr schwingt hin und
her. Es findet keine räumliche Ausbreitung dieser
Schwingung statt.
Es handelt sich somit nicht um eine Welle.
Bild c: Ein Mann spricht in ein Telefon. Die Töne
breiten sich als Schall aus und werden so übertragen. Diese Ausbreitung erfolgt räumlich und es
wird kein Stoff übertragen.
Es handelt sich somit um eine Welle.
Bild d: Auf dem Wasser sind Wellen zu sehen.
Es handelt sich um eine mechanische Welle, speziell um eine Kreiswelle.
1b)Bei den Schallwellen von Bild c handelt es sich um
Längswellen, da die Druckschwankungen in Ausbreitungsrichtung erfolgen.
Bei den Wasserwellen im Bild a und d handelt es
sich um Querwellen. Die Schwingungsrichtung ist
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.
c) Bei den Schallwellen in Bild c ändert sich der Luftdruck.
Bei den Wasserwellen in Bild a und d ändert sich
die Auslenkung.
2. Längswellen
Der erste Pendelkörper wird in der Ebene, in der die
gekoppelten Fadenpendel hängen, zur Seite ausgelenkt und losgelassen. Er beginnt zu den anderen
Pendeln hin und wieder weg zu schwingen. Durch die
Kopplung wird diese Bewegung auf das zweite Pendel übertragen, das sich dieser Bewegung anschließt.
Von hier aus wird die Schwingung in dieser Ebene auf
das dritte Pendel übertragen usw. Die Pendel schwingen in der Richtung, in der die Reihe der Pendel aufgebaut ist, also längs dieser Richtung und somit längs
der Ausbreitungsrichtung.
Querwellen
Der erste Pendelkörper wird senkrecht zur Ebene, in
der die gekoppelten Fadenpendel hängen, zur Seite
ausgelenkt und losgelassen. Er beginnt seitlich zu
schwingen. Durch die Kopplung wird diese Bewegung
auf das zweite Pendel übertragen, das sich dieser Bewegung anschließt. Von hier aus wird die Schwingung
in dieser Ebene auf das dritte Pendel übertragen usw.
Die Pendel schwingen senkrecht zu der Richtung, in
der die Reihe der Pendel aufgebaut ist, also quer zur
der Ausbreitungsrichtung.
3. Wenn man z. B. einen Wasserball auf die Wasseroberfläche legt, wird er durch die Wellen angehoben und
wieder gesenkt. Der Wasserball bewegt sich aber
nicht von der Stelle. Es wird somit kein Stoff transportiert. Die Energie von Wellen zeigt sich vor allem beim
Auftreffen auf Hindernisse. Es kann sogar zu Zerstörungen kommen. Es handelt sich um Querwellen.
4. ymax = 1,7 mm
T = 0,002 s
λ = 0,6 m
f = 1/T = 500 Hz
v = λ · f
v = 0,6 m · 500 Hz
v = 300 m/s
5. T = 1/f
T = 1/523 Hz
T = 0,0 091 s
λ = v/f
λ = (344 m/s)/(523 Hz)
λ = 0,66 m
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
6. Aus den gegebenen Daten können Schwingungsdauer und Wellenlänge berechnet werden:
T = 1/f
T = 1/400 Hz = 0,0 025 s
λ = v/f
λ = (344 m/s)/400 Hz = 0,86 m
y in mm
2
1
0
–1
0,0005
0,001
0,0015
0,002
0,0025 t in s
–2
y in mm
2
1
0
–1
0,15
0,3
0,45
0,6
0,75
0,9
s in m
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle beträgt
c = λ · f
c = 6 m · 0,5 s–1
c = 3 m · s–1
10.s = 1450 m/s · 3 s = 4 350 m
11.Der Schall wird an den Wänden bzw. an der Decke
reflektiert.
Hinweis: Schallquelle und Schallempfänger befinden
sich im Idealfall in den Brennpunkten einer Ellipse.
Die Decke solcher „Flüstergewölbe“ hat in der Regel
eine elliptische Form.
12.Informationen findet man im Internet, u. a. unter folgenden Adressen:
− www.deutsches-museum.de/bildung/schul/img/
akustik.pdf
− http://de.wikipedia.org/wiki/Gesang
–2
7. a) Wellen treffen auf ein Hindernis und werden reflektiert.
b) Wellen treffen auf ein Hindernis und werden gebeugt.
c) Wellen treffen auf einen Doppelspalt. Sie werden
an jedem der beiden Spalten gebeugt und überlagern sich hinter den Spalten. Es tritt Interferenz
auf.
13.Informationen findet man unter:
− http://de.wikipedia.org/wiki/Echoortung
14.Antwort ortsabhängig
Die Himmelskörper und ihre Eigenschaften (LB S. 65)
1. Das Poster sollte Informationen zu folgenden Aspekten enthalten:
− Die räumliche Anordnung der Himmelskörper mit
der Sonne im Zentrum, den sich anschließenden erdähnlichen Planeten, dem Planetoidengürtel, den
darauf folgenden jupiterähnlichen Planeten und
dem äußeren Abschluss durch Kuiper-Gürtel und
oortsche Kometenwolke.
− Die Massenverteilung im Sonnensystem mit ihrer
Hauptkonzentration im Zentralgestirn, gefolgt von
den jupiterähnlichen Planten. Die erdähnlichen
Planeten machen nur eine verschwindend kleine
Masse des Sonnensystems aus.
− Aussagen zu maßstäblichen Größen und Entfernungsvergleichen im Sonnensystem.
8. Konstruktion eines Interferenzbilds:
5 cm
2. a) Berechnung der mittleren Dichte entsprechend
der Gleichung:
9. y-s-Diagramm:
2
} M
​ρ ​
=}
3 ​ 4​ y in m
​ 3 ​ · π ∙ R
}
1
1
–1
–2
2
3
4
5
6
s in m
b)
Mars: 3,9 g · cm–3
Saturn: 0,7 g · cm–3
Neptun: 1,6 g · cm–3
Mars: erdähnlich; Saturn, Neptun: jupiterähnlich
Hinweis: Als Hilfe kann man die Schüler an die
Dichte von Wasser (1 g · cm–3) erinnern, die als Vergleichswert bei der Entscheidung helfen kann, ob
ein Himmelskörper hauptsächlich aus Gesteinsmaterie oder aus komprimiertem Gas besteht.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
c) Die erdähnlichen Planeten bestehen hauptsächlich
aus Gestein und Metallen. Diese Stoffe haben bereits an der Oberfläche (der Planetenkruste) relativ
hohe Dichtewerte, d. h. im Inneren wird der betreffende Himmelskörper noch weiter verdichtet
sein. Wir erwarten insgesamt also hohe mittlere
Dichten. Bei den hauptsächlich aus gasförmigen
Stoffen bestehenden jupiterähnlichen Planeten
sind die Dichtewerte nahe der äußeren Hüllen natürlich sehr klein.
Allerdings wird die Materie mit zunehmender
Tiefe deutlich verdichtet. Wir erwarten deshalb
zwar höhere mittlere Dichtewerte als bei Gasen
unter Normaldruck, aber dennoch niedrigere als
bei den erdähnlichen Planeten.
Bewegung und Ordnung im Kosmos (LB S. 82)
1. Für das geozentrische Weltbild spricht eine einfache
Beobachtung: Wenn man Sonne, Mond und Sterne
über einen längeren Zeitraum hinweg beobachtet,
dann scheinen sich diese Himmelskörper um uns zu
bewegen. Es lassen sich dafür auch gesetzmäßige Zusammenhänge aufstellen. Das geozentrische Weltbild
ermöglicht die Vorhersage des Verlaufs eines Sterns.
Das zeigen z. B. die Darstellungen von Astronomen
des Mittelalters.
Die folgende Tabelle stellt noch einmal das geozentrische dem heliozentrischen Weltbild gegenüber:
3. Das Zentralgebiet befindet sich in der Mitte der Galaxie und hat eine Ausdehnung, die sich über die an den
Scheibenrändern flachere Scheibe erhebt. Die Scheibe
ist der bräunliche Bereich, in dem sich außer den Sternen auch die Gas- und Staubwolken konzentrieren.
4. Lösung nach der Gleichung v = s/T = 2πr/T. Da man
eine Geschwindigkeitsangabe in km/s oder m/s erwartet, müssen die Schüler die Zeiteinheit Jahr in Sekunden umwandeln und die Einheit 1AE in km oder m
umrechnen. v = 29,8 km · s–1.
5. Riesenstern:
geg.:m = 15 · 1,99 · 1030 kg ≈ 3 · 1034 g
r = 227,9 · 106 km ≈ 2 · 1013 cm
}
ges.:​ρ ​
Lösung:
} ​ ρ ​
= m/V ≈ 3 · 1034 g/(4 π/3 · 8 · 1039 cm3)
} –6
–3
​ρ ​
≈ 10 g · cm
geozentrisch
heliozentrisch
Erde im Zentrum
Sonne im Zentrum
der Mond befindet sich
nahe am Zentrum
der Planet Merkur befindet
sich nahe am Zentrum
Sonne bewegt sich um die
Erde
Erde bewegt sich um die
Sonne
Alle Himmelskörper bewegen sich auf Kreisbahnen.
Die Weltbilder besitzen als äußeren Abschluss eine
Fixsternsphäre.
2. Die Frage bezieht sich insbesondere auf die Angaben
im LB S. 70 und die dortige Abbildung 1. Die beiden
Punkte auf der Erdoberfläche sind der Nord- und der
Südpol. Der Zenit befindet sich senkrecht über dem
Beobachter. Nur an den Polen verläuft die gedachte
Himmelsachse (die Erdachse) exakt senkrecht zum
Horizont des Beobachters und fällt deshalb mit dem
Zenit zusammen.
Weißer Zwerg:
geg.:m = 1,99 · 1030 kg ≈ 2 · 1033 g
r = 6 278 km ≈ 6 · 108 cm
} ges.:​ρ ​
Lösung:
} ​ρ ​
= m/V ≈ 2 · 1033 g/ (4 π/3 · 216 · 1024 cm3)
} 6
​ρ ​
≈ 2 · 10 g · cm–3
3. a) Die Bahnhalbachse a der Raumsonde kann mithilfe
der großen Bahnhalbachse aE der Erdbahn und der
großen Bahnhalbachse aM der Marsbahn berechnet werden:
6. 0,00 081 kg · m–3
7. Internetrecherche und Schülervortrag
8. Bezeichnet x die Entfernung vom Erdmittelpunkt bis
zum Endpunkt des Kernschattens, dann lässt sich mithilfe des Strahlensatzes folgende Gleichung formulieren: (1AE + x)/rs = x/rE. Daraus folgt:
x=}
​ r1 AE
​ = 0,0 092 AE = 1 374 080 km.
s
​ r ​ – 1
}
E
Bei Angabe dieser Zahl sollte die Lösung als erbracht
angesehen werden.
Eventuell subtrahiert ein Schüler – völlig korrekt – von
der Lösung noch den Erdradius.
a +a
E
a = ​ }
M ​ 2
b) Das Raumschiff stellt einen Himmelskörper dar,
der sich wie die Erde oder der Mars im Gravitationsfeld der Sonne bewegt. Daher kann des 3. keplersche Gesetz angewendet werden. Die Flugdauer
des Raumschiffs zum Mars entspricht seiner halben
Umlaufzeit T/2 um die Sonne.
T/2
ges.:
geg.: aE = 1 AE
aM = 1,54 AE
TE = 1 a
Lösung:
a +a 3
3
​ e M ​ a​ ​ ​(}
)​ ​ ​ }E2 ​= }
​ 2 2 T ​E​ T © DUDEN PAETEC GmbH, Berlin. Alle Rechte vorbehalten. Internet: www.duden-paetec.de
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Umformen nach T/2 ergibt:
}
a +a 3
  ​(}
​ ​ )​ ​ ​ T=}
​ 12 ​TE​ }
​ 2 T = 0,71 a
Die Flugdauer der Raumsonde zum Mars beträgt
mehr als ein halbes Jahr, exakt 0,71 Jahre.
√ E
M
3
a​E​ F
Deren Enden werden mit dem Drehzentrum verbunden und der Drehwinkel wird gemessen. Er beträgt ca. 15° (siehe Abb.).
≈15°
EM
​
4. ges.:​ }
F
2K
geg.:
mK = 100 kg
rKK = 100 m
mE = 5,97 · 1024 kg
mM = 7,35 · 1022 kg
rEM = 3,84 · 108 m
F
m · m
2
r​ ​ mE · mM · r​ ​ 2
r​EM
​ m​K ​ r​EM
​ · m​ ​ K
1 KK
EM
E
​= G · ​ }
M ​ · ​ }
​ · ​ }2 ​= }
​ 2
KK ​
Lösung:​ }
2
F
G
2 2K
24 · 1022 · 104 m
FEM
​ }
​= }}}
​ 5,97 kg · 7,35 kg · 10
​ = 3 · 1030
F2K
(3,84)2m2 · 108 · 108 · 104 kg2
Die Gravitationskraft zwischen Erde und Mond ist
3 · 1030 mal größer als die Gravitationskraft zwischen
den beiden Kugeln der Masse 100 kg.
Die Schüler könnten die Vermutung äußern, dass die
Gravitationskräfte zwischen massearmen Körpern zu
klein wären und sich demzufolge keine stabilen Systeme bilden könnten. Masseärmere Körper wie die
Erde werden erst durch die Gravitationskraft massereicher Körper wie der Sonne auf eine Bahn um diesen massereicheren Körper gezwungen.
5. a) Falsch, Widerspruch zum 2 keplerschen Gesetz
b) Richtig, Antwortmöglichkeiten: stimmt mit 3. keplerschen Gesetz überein
Die Schüler könnten auch die mittlere Bahngeschwindigkeit der Venus ausrechnen, vgl. Aufgabe 4, LB S. 65.
c) Falsch, Widerspruch zum 3. keplerschen Gesetz oder
Berechnung der mittleren Bahngeschwindigkeit
Anmerkung: Bei den Aufgaben b) und c) könnte
den Schülern eventuell die Übereinstimmung bzw.
der Widerspruch zum 3. keplerschen Gesetz nicht
unmittelbar einsichtig sein. In diesem Fall müsste
man ausführlich über die Gleichung des 3. keplerschen Gesetzes argumentieren:
Das 3. keplersche Gesetz lautet: konst. = r 3/T 2. Da
für die Bahngeschwindigkeit gilt: v = 2 πr/T könnte
man das 3. keplersche Gesetz auch schreiben als:
konst. = v 2 · r oder v 2 ~ 1/r.
Je größer der Bahnradius r, desto kleiner ist die
Bahngeschwindigkeit v.
6. a) Die Sternspuren hätten die Gestalt eines Halbkreises.
b) Man zeichnet freihändig das gut auffindbare Drehzentrum in die Abbildung und sucht eine deutlich
erkennbare und möglichst weit vom Drehzentrum
entfernte Sternspur.
c) Zur Ermittlung der Belichtungszeit in Stunden t(h)
kann eine Verhältnisgleichung formuliert werden:
15°
t(h)
​ }
​ = }
​ 24 h
​ 360°
​ 24 h · 15°
​ = 1 h
Es folgt: t(h) = }
360°
Methoden der astronomischen Erkenntnisgewinnung (LB S. 94)
1. Erkundungsaufgabe
Die Antwort muss aktuell erfolgen. Die vor Drucklegung dieses Handbuchs gestartete Sonde war
New Horizons (Januar 2006). Das Ziel dieser Sonde ist
Pluto und der Kuiper-Gürtel. Im Jahre 2015 (!) wird
die Sonde dort ankommen.
2. r = 2,55 pc g p = 1/r = 1/2,55 pc = 0,392“
3. r = 11 pc, r = 11 · 3,36 Lichtjahre = 36,96 Lichtjahre
Das Licht benötigt bis zur Erde 36,96 Jahre.
4. 0,00 081 kg · m–3
5. In der Reihenfolge der Aufgabenstellung: Hauptreihenstern, Riese, Hauptreihenstern, Riese, weißer
Zwerg.
6. Die Zahlenwerte sind grob geschätzt:
L1 = 0,1 LS
L2 = 0,95 LS
L3 = 5 · 103 LS
L4 = 10 LS
7. Alle dargestellten Sterne gehören wie die Sonne zu
den Hauptreihensternen. Riesenplaneten können ihrer Sonne sehr viel näher kommen als die Planeten in
unserem Planetensystem.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
k · λ · e
Eigenschaften des Lichts (LB S. 112)
b=}
​ s k ​ = }}
​ 1 · 546,01 nm · 2,80 m
​ 0,5 · 17,6 cm
1. Licht, das durch eine Lochblende trifft, wird gebeugt.
Diese Beugung kann man bei günstigen Bedingungen
(gut abgedunkelter Raum) beobachten.
b = 1,7 · 10–5 m
k
2. λ = c/f
a) 714 nm
b) 435 nm
c) 417 nm
Hertzsche Wellen (LB S. 130)
3. a)
b)
λ = c /f
λ = (300 000 · 103 m/s)/(4,0 · 1014 Hz)
λ = 750 nm
Wegen cGlas < cLuft und λ ~ c bei f = konstant gilt:
Die Wellenlänge wird kleiner.
4. a)
b)
ebenfalls 5,5 · 1014 Hz
λ = c/f
λ = 545 nm
Es handelt sich um grünes Licht.
5. sin αk = (k · λ)/b
k
390 nm
780 nm
1
17,0°
35,8°
2
35,8°
–
Hinweis: Für k = 2 und λ = 780 nm existiert keine Lösung, da b < 2 λ.
6. Erarbeiten eines Posters
7. a) Nachweis des infraroten Lichts:
Thermometer zeigt außerhalb des sichtbaren roten Bereichs eine höhere Temperatur an.
Nachweis des ultravioletten Lichts:
Fluoreszenzschirm leuchtet beim Auftreffen von
ultraviolettem Licht auf.
b) Wirkungen des ultravioletten Lichts: Sonnenbrand,
Bindehautentzündung, vermutlich Hautkrebs, Sonnenkrems mit hohem Lichtschutzfaktor nutzen,
nur kurze Zeit der direkten Sonneneinstrahlung
aussetzen, helle Kleidung zum Schutz tragen
8. Die Lage der Interferenzmaxima ist von der Wellenlänge abhängig. Bei kleiner Wellenlänge (blaues
Licht) liegen die Maxima enger zusammen als bei
großer Wellenlänge (rotes Licht).
9. Ein Vergleich mit Tabellenwerten ergibt: Es könnte
sich um Quecksilber handeln.
s
k · λ
​ =}
​ k ​ 10.​ }
b
e
k
​ b=}
​ k · λ · e
s
k
Die Gitterkonstante beträgt 1,7 · 10–5 m.
1. Ein Schwingkreis besteht aus einem Kondensator und
einer Spule. Bei der Entladung des Kondensators über
eine Spule wird in der Spule ein Magnetfeld aufgebaut. Diese Magnetfeldänderung ruft eine Induktionsspannung hervor, die mit einem Induktionsstrom
verbunden ist. Nach dem lenzschen Gesetz ist dieser
Induktionsstrom seiner Ursache entgegengerichtet.
Aufgrund dieses Induktionsstroms wird die Entladung
des Kondensators verlangsamt. Erst wenn die Spannung am Kondensator null ist, nimmt die Entladestromstärke ab, wodurch wiederum in der Spule eine
Spannung induziert wird. Diese Induktionsspannung
ist mit einem Induktionsstrom verbunden, der nach
dem lenzschen Gesetz seiner Ursache entgegen gerichtet ist. Dieser Induktionsstrom bewirkt eine entgegengesetzte Aufladung am Kondensator.
Die im magnetischen Feld der Spule gespeicherte
Energie wird somit wieder in die Feldenergie des
Kondensators umgewandelt. Wenn in der Spule keine
magnetische Energie mehr gespeichert ist und kein
Strom mehr fließt, beginnt der Vorgang von Neuem.
Er wiederholt sich, solange noch Energie in diesem
System gespeichert ist. Der Vorgang endet, wenn die
gesamte ursprüngliche im Kondensator gespeicherte
elektrische Energie in thermische Energie umgewandelt wurde.
2. a)
b)
umax = 5 V
T = 0,02 s
f = 50 Hz
Der Kondensator wurde von außen auf eine Spannung von 5 V aufgeladen. Er wird dann entladen
und mit umgekehrter Polung wieder aufgeladen.
Dieser Vorgang wiederholt sich ständig.
3. a) s = v · t
s = 300 000 km/s · 1,35 s = 405 000 km
b) Die Entfernung von 405 000 km entspricht dem 1,05fachen der mittleren Entfernung Erde – Mond.
4. Anzuwenden ist die Gleichung λ = c/f.
5. Schülerauftrag
6. a) Beim ersten Experiment werden hertzsche Wellen
von einem Sender aus unter einem bestimmten
Winkel auf eine Metallplatte gerichtet. Der Empfänger wird solange bewegt, bis er das Signal unter einem bestimmten Winkel empfängt.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Hertzsche Wellen werden von Leitern reflektiert.
Es gilt das Reflexionsgesetz.
b) Im zweiten Experiment werden hertzsche Wellen
von einem Sender auf einen Isolator gerichtet. Der
Empfänger befindet sich hinter dem Isolator und
wird dort bewegt. Hinter dem Isolator wird das
Signal vom Empfänger aufgenommen. Isolatoren
werden von hertzschen Wellen durchdrungen.
7. Für das Senden und Empfangen auf Richtfunkstrecken werden als Antennen Parabolspiegel benutzt.
Diese Spiegel bestehen aus Metall. Bei Empfangsantennen werden durch den Spiegel die ankommenden
hertzschen Wellen gebündelt und auf den Empfänger fokussiert. Bei Sendeantennen befindet sich der
Sender im Brennpunkt. Die vom Spiegel reflektierten
Wellen werden näherungsweise parallel abgestrahlt.
−
−
−
8. Hertzsche Wellen im UKW-Bereich werden kaum gebeugt und auch nicht wie Kurzwellen an der Ionosphäre reflektiert. Sie können daher nur in gerader
Linie vom Sender empfangen werden.
9. Radarimpulse breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit
aus. Demzufolge gilt für die Entfernung s:
s = c · t/2
s = 300 000 km/s · 1,15 · 10–3 s = 345 km
−
10.Die hertzschen Wellen werden durch die Erd- bzw.
Felsschichten abgeschirmt.
−
Wahlpflichtbereich: Fernrohre (LB S. 145 –148)
1. Es entsteht ein seitenvertauschtes, umgekehrtes, verkleinertes und virtuelles Bild.
2. Geeignet ist u. a. die Adresse www.schuelerlexikon.
de, Suchwort Fernrohr
3. Experiment
4. Informationen findet man unter www.schuelerlexikon.de, u. a.:
− 1609 erhielt Galilei Kunde vom Bau eines Fernrohrs
in den Niederlanden. Er konstruierte sofort auch
ein solches Instrument (galileisches Fernrohr) und
berichtete davon in seinem ersten herausragenden
Buch, der „Botschaft von den Sternen“ (1610):
„Zunächst stellte ich mir ein Fernrohr aus Blei her,
an dessen Ende ich zwei Glaslinsen anbrachte, beide
auf der einen Seite eben, auf der anderen die eine
kugelförmig konvex, die andere konkav. Als ich
dann das Auge an das Hohlglas brachte, sah ich die
Gegenstände beträchtlich groß und nahe …“
− Galilei erprobte und demonstrierte sein Fernrohr
an irdischen Objekten, bevor er es als einer der ersten Naturforscher gegen den Himmel richtete. Er
beschrieb die gebirgige Struktur der Mondoberfläche und schätzte aufgrund der durch das Sonnenlicht bedingten Schatten der Mondgebirge sogar
deren Höhe.
Galilei bestätigte auch die schon von Demokrit geäußerte Ansicht, dass die Milchstraße eine Anhäufung von Sternen sei.
Eine der wichtigsten Entdeckungen Galileis auf
astronomischem Gebiet war im Januar 1610 die
Entdeckung von vier Jupitermonden. Er hielt sie
zunächst für kleine Fixsterne. Dann bemerkte er
ihre Ortsveränderung gegen den Jupiter und untereinander. Schließlich konnte er die Dauer ihrer
Umläufe bestimmen.
Galileis Entdeckungen zeigten die überragende
Bedeutung des Fernrohrs für die Astronomie. Die
in der „Botschaft von den Sternen“ vorgelegten
astronomischen Erkenntnisse waren eine wichtige
Stütze für das heliozentrische Weltbild. Dessen
Gegner, die Anhänger von Aristoteles, misstrauten
jedoch diesen Angaben. Sie waren im geozentrischen Weltbild so befangen, dass sie sich weigerten, durch das Fernrohr zu schauen und darin Gaukelei und optische Täuschung vermuteten.
In Florenz setzte Galilei die astronomischen Beobachtungen fort. Das Ringsystem des Saturn konnte
er mit seinem Fernrohr noch nicht auflösen. Er
glaubte, drei nebeneinander stehende Himmelskörper zu sehen und sprach deshalb von der „Dreigestalt“ des Saturn.
Galilei entdeckte die Venusphasen, die die Bewegung dieses Planeten um die Sonne bewiesen. Wie
es zu seiner Zeit üblich war, unterrichtete Galilei
Freunde und Fachkollegen, darunter auch Kepler,
über diese Erkenntnisse in Form eines lateinischen
Anagramms (Buchstabenrätsels), um sich die Priorität an seiner Entdeckung zu sichern.
5. Je näher das Objekt, desto größer der Sehwinkel.
f
ob
​
6. V = ​ }
f
ok
V=}
​ 840 mm
​ = 21; V = }
​ 840 mm
​ = 52,5; V = }
​ 840 mm
​ = 33,6
40 mm
16 mm
25 mm
Mit diesem Fernrohrtyp kann man 21-fache, 34-fache
und 53-fache Vergrößerungen erzielen.
7. Beim Newton-Fernrohr befindet sich kurz vor dem
Brennpunkt des Hohlspiegels ein ebener Spiegel. Am
Tubusausgang sind das Okular oder Registriergeräte
angebracht.
Das achsenparallele Licht wird am Hohlspiegel reflektiert, gebündelt und trifft dann auf den ebenen Spiegel, der das Licht aus dem Tubus herauslenkt.
8. Eine Liste von optischen Teleskopen findet sich unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Liste_der_gr%C3%B6%C
3%9Ften_optischen_Teleskope. Aktuelle Informationen
und Bilder zum VLT findet man unter www.eso.org.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Wahlpflichtbereich: Kommunikation mit
elektronischen Medien (LB S. 149 –151)
1. Wie die Informationen gespeichert werden, hängt
vom Aufbau der betreffenden technischen Geräte ab.
Fotoapparat: Auf Filmen werden analoge Signale
(Helligkeitswerte) gespeichert, auf CCD-Chips bzw.
auf Speicherkarten digitale Signale.
2. In einem Tonstudio soll Schall (Sprache, Musik) aufgenommen und gespeichert werden. Der Schall trifft auf
ein Mikrofon. Im Mikrofon werden die Druckschwankungen der Luft in Spannungsschwankungen umgewandelt. Diese in der Regel sehr kleinen Spannungsschwankungen werden zunächst verstärkt. Die Form
der Signale ändert sich dadurch nicht. Diese verstärkten analogen elektrischen Signale werden zu einem
AD-Wandler geleitet und dort in digitale Signale umgewandelt. Die digitalen Signale können auf Magnetband, auf CD oder auf DVD gespeichert werden.
3. Es gibt dafür im Wesentlichen folgenden Grund: Sehr
langwellige elektromagnetische Wellen lassen sich
nicht von Antennen abstrahlen. Die optimale Länge
einer Sende- oder Empfangsantenne ist gleich der halben Wellenlänge. Eine elektromagnetische Welle mit
einer Frequenz von 20 kHz (vom Menschen maximal
hörbare Frequenz) hat eine Wellenlänge von etwa
15 km. Es wären Antennen von 7,5 km Länge erforderlich. Das ist technisch nicht sinnvoll realisierbar.
4. Frequenzmodulation: Die Informationen werden der
Frequenz aufgeprägt, d. h. die Frequenz ändert sich in
Abhängigkeit von der niederfrequenten Schwingung
(Sprache, Musik). Genutzt wird die Frequenzmodulation im UKW-Bereich und beim Fernsehen.
Phasenmodulation: Die Informationen werden dem
Phasenwinkel aufgeprägt, d. h., der Phasenwinkel ändert sich in Abhängigkeit von der niederfrequenten
Schwingung (Sprache, Musik). Genutzt wird die Phasenmodulation im UKW-Bereich und beim Sprechfunk.
Digitalsignal
Amplitudenmodulation
(AM)
Frequenzmodulation
(FM)
Phasenmodulation
(PM)
„1“
sie noch an äußeren Schichten der Ionosphäre reflektiert. Solche Schichten befinden sich in 100 – 400 km
Höhe über der Erdoberfläche. Die Bodewelle reicht
einige hundert Kilometer weit. Die an der Ionosphäre
reflektierten Raumwellen erlauben noch viel größere
Reichweiten dieser Sender. Der Nachteil besteht in der
geringen Qualität von Musiksendungen.
Kurzwellen werden kaum gebeugt. Deshalb wird im
Kurzwellenbereich vor allem mit Raumwellen gearbeitet, die an den leitenden Schichten der Ionosphäre
reflektiert werden. Damit sind sehr große Reichweiten, z. T. rund um die Erde, erreichbar. Der Nachteil
von Kurzwellen besteht darin, dass die Beschaffenheit der leitenden Schichten in der Ionosphäre von
der Sonnenaktivität und damit von der Tages- und
der Jahreszeit abhängig ist. Deshalb sind die Empfangsbedingungen von Kurzwellensendern sehr unterschiedlich.
Ultrakurzwellen haben den Vorteil einer sehr hohen
Übertragungsqualität. Sie werden deshalb für hochwertige Sendungen im UKW-Rundfunk und für das
Fernsehen genutzt. Sie werden von den leitenden
Schichten der Ionosphäre nicht reflektiert und sind damit nur im Sichtbereich von Sendern zu empfangen.
6. Experiment
7. Das D-Netz arbeitet mit 900 MHz, das E-Netz mit
1 800 MHz. Ein flächendeckendes Handynetz besteht
aus Zellen (Groß-, Klein- oder Mikrozellen), die den
gesamten Bereich überdecken (Wabenstruktur). Großzellen haben einen Radius von 10 – 30 km, Kleinzellen
von 1– 3 km. Dadurch kommen die mobilen Telefone
mit einer sehr geringen Sendeleistung von meist unter 1 W aus.
8. Die Datenübertragung beim Satellitenfernsehen ist
in der folgenden Skizze dargestellt. Dabei werden sowohl analoge als auch digitale Signale genutzt.
= digital
= analog
Amplitude
t
„0“
t
t
Encoder und Multiplex
Decoder
t
5. Lang- und Mittelwellen werden um die Erde stark gebeugt. Sie breiten sich deshalb als sogenannte Bodenwelle entlang der Erdoberfläche aus. Außerdem werden
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Wahlpflichtbereich: Fernsehbildtechnik (LB S. 152 –154)
1. Der deutsche Techniker Paul Nipkow (1860 –1940) erfand im Jahr 1887 folgendes Verfahren: In einer
Scheibe befanden sich spiralförmig angeordnete Löcher (s. Abb.).
Fotozelle
Glühlampe
übertragenes
Bild
Bild
Nipkowscheiben
Das durch die Löcher fallende Licht traf auf eine Fotozelle und verursachte entsprechende Schwankungen
der Stromstärke.
Im Empfänger bewirkten diese Schwankungen der
Stromstärke Veränderungen der Helligkeit einer
Glühlampe, vor der ebenfalls eine Lochscheibe rotierte und dadurch das Bild auf einer Mattglasscheibe
wieder zusammengesetzt wurde.
2. Ausführliche Informationen zum Leben und Wirken von Manfred von Ardenne sind im Internet unter
www.schuelerlexikon.de zu finden.
3. Gestaltung eines Posters
Als wichtige Etappen sollten genannt werden:
− 1887: Erfindung der Nipkowscheibe
− um 1925: erste Fernsehübertragungen im Labor
− 1931: erste vollelektronische Fernsehübertragung
(Manfred von Ardenne)
− 1936: Fernsehübertragungen von den Olympischen
Spielen in Berlin
− 1949: Beginn des kommerziellen Fernsehens (USA)
− 1954: Erste Farbfernsehübertragungen
− 1963: erster Nachrichtensatellit auf einer geostationären Bahn (Syncom 1, USA)
− 1967: Erste Farbfernsehsendungen in Deutschland
(ZDF)
− um 2000: Flachbildschirme beginnen die herkömmlichen Bildröhren abzulösen
− 2005: Beginn der Einführung des digitalen Fernsehens und des hochauflösenden Fernsehens
(HDTV).
4. Man kann in unterschiedlichen Farben leuchtende
Bildpunkte feststellen. Bei vielen Bildschirmen sind sie
stabförmig, bei gedruckten Bildern rund.
5. Bei Computerbildschirmen sind folgende Pixelzahlen
üblich: 1024 x 768, 1280 x 1024, 1600 x 1200
Die digitale PAL-Norm hat eine Pixelzahl von
720 x 576, also weniger als eine herkömmliche Fernsehbildröhre.
Beim hochauflösenden Fernsehen (HDTV) findet man
gegenwärtig folgende Pixelzahlen:
1280 x 720, 1920 x 1080
Bei verschiedenen Herstellern findet man unterschiedliche Pixelzahlen. Die Entwicklungstendenz geht hin
zu noch größeren Pixelzahlen.
6. Genutzt werden weltweit heute die folgenden drei
Systeme:
− NTSC (National Television System Comittee) in den
USA
− das von Walter Bruch entwickelte PAL (Phase Alternating Line) in Westeuropa außer in Frankreich
− das von Anatole de France entwickelte SECAM
(Système en couleur avec mémoire) in Frankreich
und Osteuropa.
7. Präsentation zur additiven Farbmischung. Dazu gibt
es in Lehrbüchern, Nachschlagewerken und im Internet umfangreiche Hinweise.
8. Bei einer Fernsehbildröhre befindet sich der Wehneltzylinder um die Katode herum (s. LB S. 153, Abb. 1). Er
ist gegenüber der Katode negativ geladen. Verändert
man die Spannung, die am Wehneltzylinder anliegt,
dann ändert sich die Anzahl der Elektronen, die den
Zylinder verlassen können. Damit ändert sich die Intensität des Elektronenstrahls und damit die Helligkeit des Bildpunkts.
9. Möglich ist aktuell die Herstellung von Flachbildschirmen mit einer Bilddiagonalen von bis zu etwa 3 m.
10.Man sollte sich vor allem nach folgenden Parametern
erkundigen:
− Anzahl der Bildpunkte (Pixel), weil sie entscheidend die Bildqualität bestimmt.
− Lebensdauer des Bildschirms, weil man daraus ableiten kann, wie lange man das Gerät nutzen kann,
− Bildfrequenz, weil aus ihr ableitbar ist, ob ein Bild
flimmerfrei und bei der Darstellung von schnellen
Bewegungen ohne Nachführeffekt arbeitet,
− elektrische Leistung, weil sie Auskunft darüber
gibt, ob das Gerät kostengünstig und umweltfreundlich arbeitet.
11.Internetrecherche: Es sollten aktuelle technische Entwicklungen mit einbezogen werden.
12.Internetrecherche: Es sollten aktuelle technische Entwicklungen mit einbezogen werden.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Fächerverbindendes Thema: Unsere Welt ist bunt (LB S. 155 –159)
1. Durch einen Gelbfilter werden Gelb und Teile vom
angrenzenden Grün und Orange hindurch gelassen.
Absorbiert wird ein Teil des blauen Endes des Spektrums.
2. Bei Beleuchtung mit weißem Licht erscheint uns ein
undurchsichtiger Körper schwarz, wenn er sämtliches
Licht absorbiert, das auf ihn fällt. Ein Körper erscheint
uns weiß, wenn er alle Spektralfarben näherungsweise gleich stark reflektiert. Ein Körper erscheint
uns gelb, wenn er grün und rot gleich stark streut. Als
Mischfarbe ergibt sich Gelb.
3. Bei Beleuchtung mit weißem Licht sehen in der Durchsicht und in der Draufsicht die blaue Tinte blau und die
rote Tinte rot aus. Tinte wirkt wie eine Pigmentfarbe
(und damit wie ein Farbfilter). Rote Tinte absorbiert
die blauen Anteile des weißen Lichts; die nicht absorbierten Anteile des Lichts werden teilweise reflektiert
und teilweise hindurch gelassen. Folglich sehen wir in
Durchsicht und in Draufsicht die gleiche Farbe, nämlich Rot. Analoges gilt für die blaue Tinte; die roten
Anteile des weißen Lichts werden absorbiert.
4. Leicht vergilbte Wäschestücke erscheinen uns z. B.
gelblich. Da Weißmacher die Reflexion von bläulichem Licht bewirken, ergibt sich durch additive
Farbmischung zusammen mit dem gelbem Licht der
Farbeindruck Weiß.
5. Poster zur Dreifarbentheorie des Sehens: Unter dem
Suchwort Dreifarbentheorie gibt es eine Fülle geeigneter Beiträge im Internet.
6. In einem abgedunkelten Raum sieht man die Körper
nur in verschiedenen Grautönen. Mit zunehmender
Helligkeit wird das Grau zunächst heller und bei ausreichender Lichtintensität sprechen die farbempfindlichen Zäpfchen an. Wir sehen die Körper in ihren
Körperfarben.
7. Auf der Farbtafel ist ein Auto dargestellt. Die Tafeln
sind so aufgebaut, dass man farbige Gegenstände vor
einem farbigen Hintergrund erkennen muss. Menschen, die Rot und Grün nicht unterscheiden können,
haben eine Rot - Grün - Blindheit. Werden auf Tafeln
z. B. rote Gegenstände vor einem andersfarbigen
Hintergrund (z. B. blauen Punkten) abgebildet, dann
kann man mit diesen prüfen, ob eine Person die rote
Farbe erkennen kann.
8. Man sieht anfangs ein orangefarbenes Quadrat mit
einem etwas dunklerem (violettem) kleinen Quadrat
in der Mitte. Danach verwischen sich die Konturen
und die Quadrate gehen allmählich in Kreise über und
verschwinden nach einiger Zeit wieder völlig. Nach-
bilder entstehen durch Ermüdung der lichtempfindlichen Zellen. Nach etwa 30 Sekunden senden sie kein
Signal mehr ans Gehirn. Die Zapfen für Blau sind unempfindlicher geworden, die für Orange nicht. Beim
anschließenden Blick auf die weiße Fläche wird nach
der additiven Farbmischung die Mischfarbe Orange
wahrgenommen.
Nicht jeder, der zum ersten Mal Nachbilder sehen
„soll“, nimmt diese Einfärbung wahr. Es kann helfen,
wenn man etwas länger starrt und die Augen dabei
auf unendliche Sehweite einstellt.
Nachbilder werden auch als Phantombilder bezeichnet. Man sieht sie auch als helle Flecken, wenn man
versehentlich in die Sonne geschaut hat.
9. Evangelische Kirche: Es dominieren Violett und Weiß.
Violett hat eine passive Ausstrahlung und soll Besinnung, Buße und Einkehr bewirken. Violett wird in der
Vorbereitung auf große Feste (Adventszeit, Passionszeit) und am Bußtag zur Dekoration des Altars verwendet. Weiß symbolisiert Unschuld und Neubeginn
und steht für Reinheit und Lichtglanz. Weiß wird zu
Weihnachten und Ostern verwendet, aber auch bei
Hochzeiten und Taufen.
Buddhismus: Es dominieren Gelb, Orange und Rot als
Farben der Sonne und des Lichts. Orange symbolisiert
die höchste Stufe menschlicher Erleuchtung.
10.Die Empfindungen können nicht vorhergesagt werden.
11.Anregungen erhält man z. B. unter www.schuelerlexikon.de, Suchwort Farbenlehre
12.Das Ergebnis der Erhebung kann nicht vorhergesagt
werden. U. a. können Alter, Mode und Beruf das Ergebnis beeinflussen.
13.Die Vorschläge werden stark variieren. Allgemein
lässt sich sagen, dass ein Raum, auch ein Klassenraum,
eher dann Ruhe und Wohlgefühl ausstrahlt, wenn
eine farbliche Grundstimmung geschaffen wurde. Die
Farben sollten in ihrem Farbton, der Farbsättigung
und der Helligkeit aufeinander abgestimmt sein.
14.Er ist blau. – Er ist völlig betrunken.
Er ist noch ein grüner Junge. – Er ist unerfahren und
noch nicht erwachsen.
Das kann man Schwarz auf Weiß nachlesen. – Es liegt
geschrieben bzw. gedruckt vor.
15.Weitere Beispiele zu Arten der Tarnung
Tarntracht:
Mäuse, grau (mausgrau) der Farbe der Erde angepasst
Rehkitz (gepunktet) und Frischling (gestreift), im Spiel
von Licht und Schatten im Wald nicht gut zu sehen
Nachahmungstracht:
einige Spannerraupen (braun), Aussehen wie Ästchen
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Krabbenspinnen, Färbung je nach Blüte, auf der sie
lebt.
Scheinwarntracht:
Käfer, z. B. Wespenbock, leuchtend gelb - schwarzes
Wanrsignal wie bei Wespen
Warntracht:
Wespen und Bienen (schwarz-gelb), Abschreckung
von Feinden
Feuerwanzen (rot), Abschreckung und Hinweis auf
Ungenießbarkeit
16.Funktionen von Tarn- und Warnfarben im Tierreich
Tarnfarben sollen bewirken, dass sich Tiere möglichst
wenig von ihrer Umgebung abheben und damit Feinden oder Beutetieren nicht auffallen. Warnfarben
sollen deutlich auf die betreffenden Tiere aufmerksam machen und Feinde abschrecken. Beispiele:
Tierarten
Färbung
Funktion der Färbung
Polarfuchs,
Eisbär
weiß
der Umgebung angepasst (Schnee, Eis)
Papageien,
Schlangen
häufig
Grüntöne
den Farben der Umgebung im Regenwald
angepasst
Löwen,
Kamele, Antilopen
gelb-braun
den Farben der Umgebung in Wüste und
Savanne angepasst
Tarnfarben
Warnfarben
Feuersalamander
schwarzgelb
deutliches Abheben von
der Umgebung
Wespen,
Hornissen
schwarzgelb
Signalisieren von
Wehrhaftigkeit
Marienkäfer,
Feuerwanzen
rot-schwarz
Signalisieren von
Ungenießbarkeit
feinden. Auf hellem Untergrund ist die helle Mutante
schwer auszumachen, während sie auf dunklem Untergrund leicht zu erkennen ist und für Feinde eine
leichte Beute darstellt. In Gebieten mit hoher Industrialisierung und damit in der Regel stärkerer Luftverschmutzung findet man vorwiegend Bäume, die
kaum oder keinen Flechtenbewuchs zeigen und darüber hinaus durch Ruß- und Staubablagerungen eher
dunkel gefärbt sind. In solchen Gebieten fand man
ein deutlich stärkeres Auftreten der dunkleren Form
und ein geringeres Auftreten der hellen Form des Birkenspanners.
Die hell gefärbten Flechten bedecken normalerweise
die Baumrinde und sind ein sogenannter Bioindikator
für saubere Luft.
Demgegenüber ist die Verteilung in gering oder unbelasteten Gebieten eher umgekehrt. Offensichtlich
wird jeweils die Mutante durch Fressfeinde, in der
Regel Vögel, reduziert, die sich deutlich vom Untergrund abhebt, während die andere durch die gute
Tarnung eher übersehen wird und somit überlebt. Die
überlebenden Tiere können sich dann fortpflanzen.
So kommt es dazu, dass in der nächsten Generation
mehr Tiere der Form da sind, die sich besser an die
Umwelt angepasst zeigt.
18.Präsentation
19.Krapprot und Indigoblau sind wasch- und lichtechte
Naturfarbstoffe. Da sie ausreichend zur Verfügung
standen, wurden sie bevorzugt in Staatsfahnen verwendet.
Name von Naturfarb-
stoffen/Farbe
Herkunft
Krapp/Rot
Wurzel der Krapppflanze
(Färberröte)
Karmin/Rot
getrocknete Weibchen einer
amerikanischen Schildlausart
Safran/Gelb
getrocknete Blütenteile eines
Krokus
Indigo/Blau
Blätter des Indigostrauchs
Blauholz/Blau
Holz eines südamerikanischen
Baums
ohne Farbe
Grottenmolche, Zehnfußkrebse
(Höhlenbewohner)
farblos
keine Tarnfarben erforderlich, weil in absoluter Dunkelheit keine
optische Wahrnehmung
möglich ist
17. Beide Schmetterlingsformen leben vor allem auf Birken, deren Stamm in der Regel hell gefärbt ist. Sie
unterscheiden sich durch eine Mutation des Gens,
welches für die Produktion des Farbstoffes Melanin
zuständig ist.
Je nachdem, welche Gebiete man untersuchte, wurden unterschiedlich viele Schmetterlinge der einen
bzw. anderen Form gefunden.
Für die beiden Formen ergeben sich unterschiedliche
Möglichkeiten der Tarnung gegenüber ihren Fress-
20.Die Farbstoffe aus den pflanzlichen Produkten sind
wasserlöslich und werden herausgelöst (extrahiert).
Die Farbstoffe lagern sich entweder nur auf den Fasern ab und sind dann leicht wieder auszuwaschen
oder sie gehen mit den Fasern chemische Verbindungen ein, die sich nicht wieder auswaschen lassen.
Nach dem Ausspülen kann man Unterschiede in der
Farbintensität der verschiedenen Färbemittel und
ihre Wirkung auf die Textilproben feststellen.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
Ziel erreicht? (LB S. 162 –165)
1. a) Für die ersten 25 m folgt aus s = }
​ a2 ​t 2 für die Zeit t:
}
√  
t = ​ }
​ 2 s
​ ​ a
√ }
t =  ​ }
​ 2 ∙ 25 m
​ ​ = 4,0 s
m 3,13 ​ }2 ​
s
Damit erhält man für die maximale Geschwindigkeit:
3. a) Die Schubkraft muss gleich der Gewichtskraft sein.
Aus m = 770 t ergibt sich FG = 7 550 kN.
b) Während der Zeit t = 129,3 s, in der die Rakete beschleunigt wird, bleibt die beschleunigende Kraft
konstant. Aus F = m ∙ a erhält man die Beschleunigung a:
v = a ∙ t
v = 3,13 m ∙ s –2 ∙ 4,0 s = 12,5 m ∙ s –1
b) s-t-Diagramm:
s in m
100
(13 000 kN – 7 550 kN)
​ ​ a = ​ }aF ​ =}}
770 000 kg
a = 7,1 m ∙ s –2
80
60
Damit erhält man als Geschwindigkeit nach der Beschleunigungsphase:
40
20
v = a ∙ t
0
0
2
4
6
8
10
t in s
v in m/s
c) – Der Luftwiderstand hemmt die Bewegung,
verringert also die unter b) berechnete Endgeschwindigkeit.
– Durch den Treibstoffverbrauch verringert sich
die Masse. Das führt bei konstanter Schubkraft
zu einer Vergrößerung der Beschleunigung und
damit zu einer höheren Endgeschwindigkeit.
16
12
8
4
0
0
2
4
6
8
10
t in s
a-t-Diagramm:
v = 7,1 m ∙ s –2 ∙ 129,7 s
v = 920 m ∙ s –1 = 3 300 km ∙ s –1
v-t-Diagramm:
a in m/s2
4,0
3,0
4. a) Die Temperatur steigt in den ersten 5 Minuten von
15 °C auf 100 °C in etwa gleichmäßig an. Danach
bleibt sie konstant bei 100 °C.
In Phase 1 wird die Energie zur Erwärmung des Wassers und der Kartoffeln verwendet. Danach wird in
Phase 2 die Energie zum Verdampfen des Wassers
genutzt. Während der ganzen Zeit wird ein Teil der
Energie auch an die Umgebung abgegeben.
b) Q = m · c · ΔT
2,0
Q = }}
​ 0,5 kg · 4,19 kJ · 85 K
​ kg · K
1,0
Q = 178 kJ
0
0
2. a) Es wird davon ausgegangen, dass der Stein frei
fällt. Die Zeit, die der Schall für seine Ausbreitung
braucht, wird vernachlässigt. Unter diesen Bedingungen kann man die Tiefe des Brunnens so ermitteln: Es wird die Fallzeit des Steins gemessen. Aus
s = }
​ a2 ​t 2 ergibt sich dann die Tiefe des Brunnens.
b) Mögliche Lösungen sind z. B. die Nutzung einer
Schnur, die am unteren Ende beschwert wird, oder
die Nutzung eines elektrischen Entfernungsmessers.
2
4
6
8
10
t in s
c) – Es kann die Beschleunigung auf den ersten 25 m
erhöht werden.
– Eine längere Strecke kann mit der konstanten
Beschleunigung gelaufen werden. Damit erhöht
sich die Spitzengeschwindigkeit.
c) Nach 5 Minuten wird die Energie nur noch an die
Umgebung abgegeben bzw. sie wird zum Verdampfen des Wassers benötigt. Der Wasserdampf
entweicht jedoch und ist zum Kartoffelgaren nicht
mehr nutzbar. Somit kann man die Energiezufuhr
so drosseln, dass das Wasser gerade noch siedet und
damit eine Temperatur von etwa 100 °C behält.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
d) Präsentation zum Schnellkochtopf, u. a.
– Aufbau:
Ventil
130 kPa
180 kPa
108 °C
117 °C
– Wirkungsweise: In einem Schnellkochtopf kann
der Dampf nicht entweichen. Dadurch steigen
der Druck und die Temperatur. Das Wasser siedet erst bei über 100 °C. Dadurch werden die
Speisen schneller gar.
– Das spart Zeit. Außerdem wird weniger elektrische Energie bzw. Stadtgas benötigt. Das
spart Geld.
5. a) Sonnenstrahlung setzt sich folgendermaßen zusammen:
infrarotes Licht: 38 %
sichtbares Licht: 48 %
ultraviolettes Licht: 7 %
langwelligere Strahlung: 6 %
kurzwelligere Strahlung: 1 %
b) Fotosynthese g sichtbares Licht
Erwärmung g infrarotes Licht
Sonnenbrand g ultraviolettes Licht
c) Man müsste aus dem Sonnenlicht den UV-Anteil
herausfiltern, z. B. durch einen speziellen Filter.
Das Prinzip dabei ist: Mit UV-Licht werden die
sonst unsichtbaren, fluoreszierenden Sicherheitsmerkmale sichtbar, die in Geldscheinen vorhanden
sind. Einzelheiten dazu findet man unter
www.bundesbank.de.
6. a)
gibt sich aus s = }
​ a2 ​∙ t 2 die Gleichung a = }
​ 2s
​. Zu messen
t
wäre die Zeit, die für einen bestimmten Beschleunigungsweg benötigt wird, z. B. für 10 m.
8. a) Der Fallschirmspringer bewegt sich die ersten 7,5 s
gleichmäßig beschleunigt und anschließend nach
Öffnen des Fallschirms gleichförmig weiter.
b) Die Geschwindigkeit ist gleich dem Anstieg im s-tDiagramm. Eine Abschätzung ergibt:
v=}
​ 400 m
​ = 80 m ∙ s–1 = 300 km ∙ h–1
5 s
Dieser Wert liegt allerdings über dem Wert von
200 km ∙ h–1, der üblicherweise als maximale Geschwindigkeit angegeben wird.
c) Die Sinkgeschwindigkeit ergibt sich aus v = }
​ Δs
​ . Die
Δt
Werte können – im Unterschied zu b) – relativ genau dem Diagramm entnommen werden.
v=}
​ 150 m
​ = 8,6 m ∙ s–1 = 30 km ∙ h–1
17,5 s
9. a) Die Aufgabe kann grafisch gelöst werden. Als Alter erhält man 9 950 Jahre.
b) 11 460 Jahre sind zwei Halbwertzeiten. Der C-14Anteil beträgt somit noch 25 %.
10.Experiment
11.Die von zwei Erregerzentren ausgehenden Wellen
überlagern sich, sie interferieren. Es bildet sich ein
typisches Frequenzmuster mit Bereichen der Verstärkung und Abschwächung.
12.Das Modell Lichtstrahl eignet sich besonders gut, die
Ausbreitung von Licht zu beschreiben.
Beispiel: Geht Licht von zwei punktförmigen Lichtquellen aus und trifft auf einen lichtundurchlässigen
Körper, so bilden sich hinter dem Körper verschiedene
Schattengebiete (Kernschatten, Halbschatten) aus.
Spiegel 1
L1
45°
L2
Spiegel 2
b) Für beliebige Lichtstrahlen ergibt sich bei
0° < α < 45°: Einfallender Lichtstrahl und zweimal
reflektierter Lichtstrahl stehen immer senkrecht
aufeinander.
7. Möglichkeit 1: Es wird die Definition der Beschleunigung genutzt: a = }
​ Δv
​
Δt
Zu messen wären die Zeit und die Geschwindigkeit
nach dieser Zeit.
Möglichkeit 2: Geht man von einer näherungsweise
gleichmäßig beschleunigten Bewegung aus, dann er-
Die Grenzen des Modells zeigen sich überall dort, wo
die Welleneigenschaften von Licht eine Rolle spielen.
Beispiel: Licht fällt durch einen sehr schmalen Spalt.
Dann breitet sich das Licht hinter dem Spalt in verschiedenen Richtungen aus.
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Lösungen der Aufgaben des Lehrbuchs
13.Eine Hypothese könnte lauten: Von den Bergen geht
vorrangig blaues Licht aus.
Diese Hypothese ist nicht richtig. Vielmehr gilt: Ursache für die Blaufärbung ist die Streuung von Licht in
den Luftschichten zwischen Bergen und Beobachtern.
Genauer: Zwischen den (relativ weit entfernten) Bergen und einem Beobachter entsteht wie überall in der
Luft aufgrund der Streuung von Licht Himmelsblau. Da
das Licht durch eine relativ dicke Luftschicht in unsere
Augen gelangt, wird die Blaufärbung vor dem meist
relativ dunklem Hintergrund der Berge sichtbar.
14.Erkundungsaufgabe
15.Erkundungsaufgabe
Zu erwarten ist die Erläuterung der drei grundlegenden Verfahren (Durchstrahlungsverfahren, Bestrahlungsverfahren, Markierungsverfahren) an speziellen Beispielen.
Der Bremsweg verlängert sich um etwa 13 m.
Hinweis: Wenn man noch die Reaktionszeit (Schrecksekunde) berücksichtigt, dann sind die Anhaltewege
erheblich länger als die berechneten Bremswege.
19.a) Bei der Mikrowelle ist der Wirkungsgrad am höchsten, weil die Energie direkt von der Strahlung auf
die Wassermoleküle übergeht.
b) Der Wirkungsgrad kann berechnet werden mit der
Gleichung
​ η=}
​ c · m · ΔT
P · t
Damit erhält man folgende Werte:
Mikrowelle:
kJ
4,19 ​ }
​ · 0,4 kg · 58 K
kg · K
η = }}
​ 160 s · 800 W
​ = 0,76
Wasserkocher:
kJ
4,19 ​ }
​ · 0,6 kg · 78 K
kg · K
16.Ausführliche und aktuelle Informationen sind im Internet unter www.bfs.de/ion (Bundesamt für Strahlenschutz) zu finden.
​ = 0,96
η = }}
​ 170 s · 1 200 W
17. Es sollten nur die typischen Sehfehler Kurzsichtigkeit
und Weitsichtigkeit betrachtet werden.
Die Korrektur kann erfolgen
− durch Brillen,
− durch Kontaktlinsen,
− durch Veränderung der Krümmung der Hornhaut
(Behandlung mit Laser).
Vor- und Nachteile sollten zusammengestellt und bewertet werden. Bei der Bewertung spielen subjektive
Empfindungen eine erhebliche Rolle.
​ = 0,43
η = }}
​ 120 s · 1 500 W
18.a) Entscheidend für auftretende Kräfte ist die
Schnelligkeit einer Geschwindigkeitsänderung
(Beschleunigung). Wenn sich z. B. bei einem Auffahrunfall die Geschwindigkeit innerhalb von 0,2 s
von 30 km/h auf null ändert, dann beträgt die Beschleunigung
m
8,3 ​ }
​
a=}
​ 0,2 ss ​ = 41,5 m ∙ s –2
Auf einen Fahrer von 70 kg würde folgende Kraft
wirken:
F = m ∙ a
F = 70 kg ∙ 41,5 m ∙ s –2 = 2 900 N
Das ist immerhin mehr als das Vierfache seiner
Gewichtskraft. Das bedeutet: Auch bei geringen
Geschwindigkeitsänderungen können erhebliche
Kräfte auftreten. Tim unterliegt einem gefährlichen Irrtum.
2
v ​ 2a
​
b) s = }
bei 50 km ∙ h –1: s = 13,8 m
bei 70 km ∙ h –1: s = 27 m
Kochplatte:
kJ
4,19 ​ }
​ · 0,3 kg · 62 K
kg · K
Die Hypothese war falsch. Den größten Wirkungsgrad hat der Wasserkocher.
c) Die Werte sind bemerkenswert unterschiedlich.
Beim Topf auf der Kochplatte wird viel Wärme an
die Umgebung abgegeben. Deshalb ist der Wirkungsgrad am niedrigsten.
Beim Wasserkocher dürfte es kaum Steigerungsmöglichkeiten der Erhöhung des Wirkungsgrads.
Bei der Kochplatte könnte schon ein Deckel auf
dem Topf zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads führen.
20.a) Geeignet ist Stoff C. Bei A ist die Reichweite zu
gering, bei B und D ist die Halbwertszeit erheblich zu lang. Hinweis: Eigentlich müsste man die
biologische Halbwertszeit einbeziehen, also auch
beachten, wie schnell der betreffende Stoff ausgeschieden wird. Auf diesen Aspekt wird im Unterricht üblicherweise nicht eingegangen.
b) Die Vorteile bestehen darin, dass bestimmte Organe wie die Schilddrüse sehr zielgerichtet und
kaum belastend untersucht werden können. Gefahren bestehen durch eine leicht erhöhte Strahlenbelastung über einige Stunden hinweg.
21.Für ein Fernsehgerät sind es täglich:
E = U · I · t = 230 V · 0,02 A · 8 · 3 600 s = 132 480 Ws
Für 22,5 Mio. Haushalte und ein Jahr erhält man:
E = 22,5 · 106 · 365 · 132 480 Ws
E = 1,1 · 1015 Ws = 3,1 · 108 kWh
Das entspricht dem Jahresenergiebedarf von 10 000
Haushalten.
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