Vom einfachen Fernrohr zum Weltraum-Teleskop

7. Weltraumbeobachtung im Wandel
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Vom einfachen Fernrohr zum Weltraum-Teleskop –
Weltraumbeobachtung im Wandel
Thomas Rosenthal, Esslingen
Illustration: W. Zettlmeier
Foto: www.astromedia.de
Der Anblick der Sterne weckt schon seit mehreren
Jahrtausenden das Interesse der Menschheit. Galileo
Galilei (1564–1642) und Johannes Kepler (1571–1630)
machten die Beobachtung der Sterne mit dem Linsenteleskop möglich, was einen großen technischen Fortschritt bedeutete. Heutzutage ist die Weltraumbeobachtung mit ganz unterschiedlichen Teleskopen und
von verschiedenen Beobachtungsorten auf der Erde
und aus dem Weltall möglich. Neben Spiegel- und
Radioteleskopen gewährt auch SOFIA, eine mit Teleskop ausgestattete Boeing 747, von der Stratosphäre
aus Einblicke in die Welt der Sterne.
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Wir zeigen Ihnen, wie Sie Ihren Schülern die Welt der
Sterne und die Methoden der Weltraumbeobachtung
am besten näherbringen. Mit einfachen Materialien
aus dem Baumarkt und einem Linsenset bauen Ihre
Schüler ein eigenes Teleskop.
Ein eigenes Teleskop muss nicht teuer
sein. Lassen Sie Ihre Schüler eines
selbst bauen!
I/G
Mit Bauanleitung:
Schritt für Schritt zum
eigenen Teleskop!
Der Beitrag im Überblick
Klasse: 8–10
Inhalt:
Dauer:
• Strahlengang durch eine konvexe und
eine konkave Linse
4–6 Stunden
+ 6 Stunden für Teleskopbau
Ihr Plus:
üBauanleitung für ein Teleskop
• Entwicklung der
Weltraumbeobachtung
• Funktionsweise eines Teleskops
• Arten und Aufbau verschiedener
Teleskope
• Möglichkeiten der Weltraumbeobachtung mit Teleskopen
• Bauanleitung für ein Teleskop
40 RAAbits Physik August 2015
7. Weltraumbeobachtung im Wandel
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Hinweise zur Gestaltung des Unterrichts
Einstieg
Der Einstieg in die Reihe erfolgt mit einem Bildimpuls in Form der Folie M 2 zu verschiedenen Teleskopen. Ihre Schüler setzen sich mit den Abbildungen auseinander und formulieren Fragen zur Weltraumbeobachtung.
Die Materialien M 3 und M 4 dienen der Wiederholung oder Einführung von Strahlengängen durch konvexe und konkave Linsen und deren vergrößernder oder verkleinernder Wirkung. Diese beiden Arbeitsblätter werden alleine und zum Teil mit einem Partner
bearbeitet.
Erarbeitungsphase
In der anschließenden Erarbeitungsphase beschäftigen sich die Schüler in Einzel- oder
Partnerarbeit mit dem Aufbau und der Funktion eines Kepler-Teleskops M 5. Sie lernen
die Begriffe Objektiv, Tubus und Okular kennen und zeichnen den Strahlengang durch die
Linsen des Fernrohrs ein, wie sie es aus M 3 und M 4 kennen. Danach setzen sie sich in
M 6 mit unterschiedlichen Arten von Teleskopen, wie dem Linsenfernrohr, dem Spiegelteleskop und dem Radioteleskop, auseinander.
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Die dritte Erarbeitungsphase findet als Gallery-Walk in Gruppen statt. Dabei sollen sich
die Schüler mit großen Teleskopen beschäftigen, deren Einsatzorte sich voneinander
unterscheiden. Im Mittelpunkt stehen das Hubble-Weltraum-Teleskop (M 7), das E-ELT in
der Atacama-Wüste in Chile (M 8), das Gaia-Teleskop (M 9) und die liegende Sternwarte
SOFIA (M 10).
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In den sich anschließenden Doppelstunden bauen die Schüler ihr eigenes Teleskop
(M 11–M 15) und, wenn genug Zeit ist, auch einen Sonnenilter (M 16). Dazu erhalten sie
für jedes Bauteil des Teleskops ein Arbeitsblatt, das mit Fotos den Bau des Teleskops
unterstützt. So bauen Ihre Schüler mithilfe der beiliegenden Anleitung das Teleskop eigenständig zusammen. Hierbei müssen Sie den Zeitbedarf dem Leistungsniveau der Klasse
und der Ausstattung mit Werkzeugen anpassen. Sie können von etwa drei Doppelstunden ausgehen.
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Voraussetzungen für die erfolgreiche Durchführung der Unterrichtseinheit
Für die Arbeit mit dieser Reihe ist das Interesse am Thema „Astronomie“ Voraussetzung.
Vorkenntnisse sind im Themenbereich „Optik“ aus dem Physikunterricht erforderlich,
werden jedoch mit zwei Arbeitsblättern wiederholt und gefestigt. Zusätzlich sollten Ihre
Schüler einfache handwerkliche Fähigkeiten wie Sägen, Bohren und Kleben haben.
Fächerübergreifender Unterricht
Das Thema ist besonders für Projekttage geeignet und lässt sich ebenso für fächerübergreifendes Arbeiten verwenden, wenn aus dem Physikunterricht die optischen Grundlagen bereitgestellt werden. Die Einheit können Sie einfach erweitern, indem zusätzliche
Filter, ein Zenitspiegel oder eine Halterung für eine Webcam hinzugefügt werden.
Differenzierung
Lassen Sie bei den Arbeitsblättern leistungsstarke und leistungsschwache Schüler zusammenarbeiten, sodass sie sich gegenseitig unterstützen können. Sollten einzelne Schüler
den Bau des Teleskops schneller abschließen, geben Sie ihnen den Arbeitsauftrag, eine
Anleitung für ihre Mitschüler zum Bau eines passenden Sonnenfilters zu entwerfen.
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Materialübersicht
· V = Vorbereitungszeit
SV = Schülerversuch
Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt
· D = Durchführungszeit
LV = Lehrerversuch
Fo = Folie
Stunden 1/2: Strahlengänge und Linsen – Abbilden, Vergrößern und Verkleinern
M 1 (Ab)
Fachwissen zum Teleskop
M 2 (Fo)
Weltraumbeobachtung früher und heute
M 3 (Ab)
Grundlagen: Optische Linsen – weißt du Bescheid?
M 4 (Ab)
Optische Linsen – Vergrößern und Verkleinern
Stunden 3/4: Wie funktioniert ein Teleskop? – Verschiedene Teleskope kennenlernen
M 5 (Ab)
Das Kepler-Fernrohr – Aufbau und Funktion
M 6 (Ab)
Immer weiter in die Ferne – Teleskope im Überblick
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Stunden 5/6: Verschiedene Teleskope im Überblick – Gallery-Walk
M 7 (Ab)
Weltraumbeobachtung aus der Erdumlaufbahn
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ein Plakat/Papier in A2 oder A1
M 8 (Ab)
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Weltraumbeobachtung aus der Wüste*
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ein Plakat/Papier in A2 oder A1
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M 9 (Ab)
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mehrere Filzschreiber
Weltraumbeobachtung aus dem All*
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ein Plakat/Papier in A2 oder A1
M 10 (Ab)
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mehrere Filzschreiber
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mehrere Filzschreiber
Weltraumbeobachtung aus der Stratosphäre*
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ein Plakat/Papier in A2 oder A1
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mehrere Filzschreiber
Stunden 7–12: Bau eines Teleskops
M 11 (Ab)
Teleskop selbst gebaut – das benötigst du!*
· V:
120 min
(einschließlich Einkauf)
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HT-Rohr mit Steckmuffe
ø 40 mm
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HT-Muffenstopfen
ø 40 mm, Länge 500 mm
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HT-Überschiebmuffe
ø 40 mm, Länge 100 mm
AstroMedia-Bausatz
· D: 270 min r
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Kisten
M 12 (Ab)
Teleskop selbst gebaut – der Objektivtubus
(Material à siehe AB)
M 13 (Ab)
Teleskop selbst gebaut – das Plössl-Okular
(Material à siehe AB)
M 14 (Ab)
Teleskop selbst gebaut – die Plössl-Okularhalterung
M 15 (Ab)
Teleskop selbst gebaut – der Okulartubus
(Material à siehe AB)
M 16 (Ab)
Erweiterung des Teleskops – der Sonnenfilter*
(Material à siehe AB)
M 17 (Ab)
Tipps und Tricks – so benutzt du ein Teleskop!
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(Material à s. AB)
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Mediathek
Literatur
Deiters, S.; Pailer, N.; Deyerler, S.: Astronomie. Eine Einführung in das Universum der
Sterne. Komet. Köln 2010.
In diesem über 600 Seiten dicken Buch inden Sie ein umfassendes Informationsangebot zu allen Themen der Astronomie. Sehr nützlich ist neben zahlreichen Abbildungen das umfangreiche Glossar zum Nachschlagen.
Herrmann, D. B.; Schwarz, O.: Duden. Astronomie. Basiswissen Schule, mit CD-ROM.
Bibliographisches Institut. Mannheim 2001.
In diesem Buch inden Sie eine sehr gute Zusammenstellung zu allen wichtigen
astronomischen Themen und insbesondere zu den astronomischen Forschungsund Untersuchungsmethoden.
Internetadressen
www.astronomie.de
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Engagierte Amateurastronomen haben sich das Ziel gesetzt, allen Interessierten,
vom Anfänger über den Amateur bis zum Proi, fundierte Informationen als sinnvolle Ergänzung des bislang vorhandenen Informationsangebots im deutschsprachigen Internet zu schaffen.
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news.astronomie.info/ai.php/bulletin/90000
Auf dieser Unterseite von www.astronomie.de können Sie sich über den aktuellen
Abendhimmel informieren. Dazu gehören zum Beispiel die Mondphasen oder welcher Planet zu sehen ist. Zusätzlich werden Tipps zur Uhrzeit des Ereignisses und
zur Richtung am Himmel gegeben.
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www.astromedia.de
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Dieser Verlag vertreibt Bastelspaß, der Wissen schafft. Mit den günstigen und
damit für den Schulalltag sehr geeigneten Produkten von AstroMedia ist Lernen,
Experimentieren, Forschen und Studieren im Bereich „Astronomie“ für jedermann
unterhaltsam.
www.fernrohrland.de/Frameset.html?/Einfuehrung.html
Hier inden Sie eine sehr schöne Zusammenstellung der grundlegenden Informationen zu Aufbau und Funktionsweise verschiedener Teleskope.
www.astrium.eads.net/de/programme/gaia.html
Auf dieser Website inden Sie ein umfangreiches Informations- und Materialangebot über die Gaia-Mission der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA).
www.oculum.de/sites/astroeinstieg/selbst_beobachten.asp
Nach dem Bau des Teleskops können Sie diese Website Ihren Schülern empfehlen. Hier werden die Grundlagen der Astronomie sowie die einzelnen sichtbaren
Himmelskörper in kurzen Texten einfach erläutert. Sie können hier nachschlagen,
wann welches Sternenbild zu sehen ist oder welchen Planeten Sie wo und wie
sehen können.
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I/G
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M1
Fachwissen zum Teleskop
Aufbau eines Teleskops
Taukappe
Rohrschellen
Objektiv im Inneren
Sucher
Prismenschiene
Sucherhalter
Montage zur Einstellung
des Blickwinkels
Okular
Stativ
Okularauszug
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Sammellinse (konvex)
Zerstreuungslinse (konkav)
Sie macht aus einem parallelen Lichtbündel ein konvergentes, also zusammenlaufendes Lichtbündel.
Sie macht aus einem parallelen Lichtbündel
ein divergentes, also auseinanderlaufendes
Lichtbündel.
Im Brennpunkt F sammeln sich alle Lichtstrahlen im Abstand f, der Brennweite.
Hier entsteht ein reelles Bild, das mit einem
Schirm sichtbar gemacht werden kann.
Der Brennpunkt F scheint vor der Linse zu
liegen im Abstand f, der Brennweite. Hier
entsteht ein virtuelles Bild, das nur durch
die Linse zu sehen ist.
Das reelle Bild kann dabei größer, kleiner
oder gleich groß sein, je nach Abstand zur
Linse. Es ist seitenverkehrt und steht auf
dem Kopf.
Das virtuelle Bild ist entweder gleich groß,
oder die Linse wirkt verkleinernd. Das
entstehende Bild steht aufrecht.
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Bi-
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Plan- und Konkavkonvexlinse
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optische
Achse
f
optische
Achse
f
Bi-
Plan- und Konvexkonkavlinse
Sicherheitshinweise beim Bau des Teleskops
Achten Sie bitte bei der Nutzung von Bohrer und Säge auf die gesetzlichen
Vorschriften in Ihrem Bundesland!
Bohren: Grundsätzlich dürfen nur Bohrmaschinen verwendet werden, die technisch in
einwandfreiem Zustand sind. Es ist auf intakte Anschlusskabel (keine „blanken“ Stellen)
und ein voll funktionsfähiges Bohrfutter zu achten, damit der Bohrer sicher eingespannt
werden kann. Schutzbrille und Arbeitshandschuhe sollten getragen werden.
Sägen: Sehr hilfreich ist ein dickes Holzbrett als Unterlage, das mit einer Einspannvorrichtung am Tisch zu befestigen ist. Während ein Schüler sägt, sollte ein Mitschüler das
Rohr am anderen Ende festhalten. Um Verletzungen zu vermeiden, sollte man das Rohr
an einer Stelle auf der Linie zunächst leicht anritzen und beim Sägen mit den Fingern
nicht zu nahe an die Säge zu kommen.
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Foto: Thinkstock/iStock
Tubus
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M2
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Weltraumbeobachtung früher und heute
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

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Galilei-Teleskop (1608)
ALMA Antennen (2011)
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Fliegende Sternwarte SOFIA (2007)
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: NASA, :picture alliance/Mary Evans Picture Library, :ESO/NAOJ/NRAO, : NASA/Jim Ross
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Hubble-Teleskop (1990)
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M3
Grundlagen: Optische Linsen – weißt du Bescheid?
Welche verschiedenen Linsen gibt es? Was passiert, wenn man sie hintereinanderstellt?
Teil 1: Optische Linsen
Sammellinse – konvexe Linse
Bi-, Plan- und Konkav-Konvexlinse
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Zerstreuungslinse – konkave Linse
Bi-, Plan- und Konvex-Konkavlinse
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optische
Achse
f
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optische
Achse
Sie macht aus einem parallelen Lichtbündel ein konvergentes, also im Brennpunkt F zusammenlaufendes Lichtbündel.
Sie macht aus einem parallelen Lichtbündel ein divergentes, also auseinanderlaufendes Lichtbündel.
Im Brennpunkt F sammeln sich alle Lichtstrahlen hinter der Linse im Abstand f, der
Brennweite.
Der Brennpunkt F scheint vor der Linse zu
liegen im Abstand f, der Brennweite.
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Aufgabe 1
Zeichne die zwei fehlenden Linsen und die Brennpunkte F1 und F2 in die Skizze ein. Miss
danach die zugehörigen Brennweiten und schreibe sie rechts dazu.
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Linse 1
Linse 2
f1:
optische
Achse
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f 2:
Aufgabe 2
So gehst du vor
Suche dir einen Partner. Entscheidet, wer a) und wer b) vorbereitet.
1. Nehmt euch ein Extrablatt und zeichnet.
2. Wenn ihr beide fertig seid, tauscht eure Aufgaben.
3. Zeichne den Strahlengang mit parallelem Licht in der Skizze deines Partners ein.
4. Lass deinen Partner den Strahlengang kontrollieren.
Zeichnet die optische Achse 18 cm lang. Es werden drei Linsen eingezeichnet.
a) Beginne links mit dem ersten Brennpunkt F1 und der Brennweite f1 = 3 cm. Hier steht
die bikonvexe Linse 1. Genau 5 cm weiter steht die bikonvexe Linse 2, und zuletzt nach
6 cm steht die 3. Linse, sie ist bikonkav. Dabei sind f 2 = 2 cm und f 3 = 1 cm.
b) Beginne nach 2 cm mit der bikonvexen Linse 1, nach weiteren 5 cm steht eine bikonkave Linse 2, und zuletzt folgt nach weiteren 5 cm die bikonvexe Linse 3. Die dazugehörigen Brennweiten sind dann f1 = 8 cm, f2 = 3 cm und f 3 = 4 cm.
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7. Weltraumbeobachtung im Wandel
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M9
Weltraumbeobachtung aus dem All
Die ESA (europäische Weltraumorganisation) visiert mit der Gaia-Weltraumsonde seit 2013
eine Milliarde Sterne in unserer Galaxie an. Dabei wird jeder Stern nicht einmal, sondern
im Laufe von fünf Jahren etwa 70-mal sondiert!
„Globales Astrometrisches Interferometer für die Astrophysik“ – Gaia
Digitales Modell: ESA/D. Ducros
Das astrometrische Interferometer ist nur
noch im Namen von Gaia vorhanden.
Anstatt dieser Technik befinden sich an
Bord des Satelliten zwei Teleskope, die das
Sternenlicht bündeln und auf eine Digitalkamera lenken.
Gaia erfasst alle Sterne, die eine gewisse
Grenzhelligkeit überschreiten. Damit kann
Gaia bis zu 25 000 oder 30 000 Lichtjahre entfernte Sterne noch zuverlässig
vermessen.
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Per Funk erreichen die Daten die Erde.
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Einsatzort Lagrange-Punkt
Gaia hat ihren Platz in der Umlaufbahn am sogenannten Lagrange-Punkt erreicht. Ein LagrangePunkt ist der Gleichgewichtspunkt der Anziehungskraft zwischen zwei Körpern.
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Das heißt, Gaia wird weder von der Sonne noch
von der Erde angezogen und bleibt immer am selben Punkt stehen. Dieser Lagrange-Punkt läuft in
einem festen Abstand mit der Erde um die Sonne
und ermöglicht so einen ungestörten Blick auf das
Weltall.
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Eine 3D-Karte unserer Galaxie entsteht
Gaia misst pro Stern die Entfernungen, Bewegungen und Helligkeitsänderungen innerhalb von etwa
fünf Jahren. So kann die Bewegung der Sterne und
deren Lebenszeit berechnet und eine dreidimensionale Karte erstellt werden. Ein zusätzlicher wissenschaftlicher Nutzen besteht in der Erkennung
und Klassiizierung Zehntausender extrasolarer
Planetensysteme. Dies sind Planeten und Sterne,
die ein anderes Zentrum als unsere Sonne haben.
Aufgabe
Erstellt in eurer Gruppe ein Informationsplakat zu Gaia. Stellt die Informationen auch mit
eigenen Illustrationen oder Skizzen des Teleskops anschaulich dar. Beantwortet die Frage:
„Wieso indet die Weltraumbeobachtung vom Lagrange-Punkt aus statt?“ Begründet eure
Antworten und Vermutungen und schreibt sie mit auf das Plakat. Jedes Gruppenmitglied
sollte das Plakat erklären können.
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Modell: ESA/ATG medialab
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Die Teleskope haben keinen kreisförmigen,
sondern einen rechteckigen Primärspiegel,
der 145 cm x 50 cm groß ist.
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M 11 Teleskop selbst gebaut – das benötigst du!
Gleich kannst du mit dem Teleskopbau beginnen! Hast du auch alle Bauteile zusammen?
Das benötigst du
Bauteile aus dem Baumarkt:
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1. HT-Rohr mit Steckmuffe
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Foto: Thomas Rosenthal, 2014.
2
2. HT-Muffenstopfen
3. HT-Überschiebmuffe
AstroMedia-Bausatz
a) bis d)
Kisten
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Aufgabe: Kontrolliere, ob dein AstroMedia-Bausatz vollständig ist.
a) Bauanleitung
c) drei Achromatlinsen
b) vier Stanzteile aus schwarzem Karton
d) Fotostativ-Adapter
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Fange an mit dem Arbeitsblatt M 12 Objektivtubus oder M 13 Plössl-Okular.
Lies dir auf jeder Karte zuerst alle Arbeitsschritte durch, bevor du beginnst.
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Teleskop selbst gebaut – das benötigst du!
Gleich kannst du mit dem Teleskopbau beginnen! Hast du auch alle Bauteile zusammen?
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Das benötigst du
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Bauteile aus dem Baumarkt:
1. HT-Rohr mit Steckmuffe
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Foto: Thomas Rosenthal, 2014.
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2. HT-Muffenstopfen
3. HT-Überschiebmuffe
AstroMedia-Bausatz
a) bis d)
Kisten
Aufgabe: Kontrolliere, ob dein AstroMedia-Bausatz vollständig ist.
a) Bauanleitung
c) drei Achromatlinsen
b) vier Stanzteile aus schwarzem Karton
d) Fotostativ-Adapter
Fange an mit dem Arbeitsblatt M 12 Objektivtubus oder M 13 Plössl-Okular.
Lies dir auf jeder Karte zuerst alle Arbeitsschritte durch, bevor du beginnst.
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Erläuterungen und Lösungen
M2
Weltraumbeobachtung früher und heute
Der Einstieg in die Reihe erfolgt mit der Folie (M 2), die Bildimpulse zu verschiedenen Teleskopen liefert. Dabei werden Ihre Schüler in die Vielfalt der Teleskope und die Methoden
der Weltraumbeobachtung eingeführt. Thematisieren Sie zum Beispiel:
• Welche der Teleskope kennt ihr schon?
• Wie alt sind die Teleskope wohl?
 moderne Raumstation der Nasa,  altertümliches Fernglas nach Galileo Galilei, 
riesige Parabolantenne der ESO  ein modernes Flugzeug von NASA und DLR
• Von wo wird die Messung durchgeführt?
 aus dem Weltraum,  und  von der Erdoberfläche,  aus der Luft/der Atmosphäre
• Was ist eigentlich ein Teleskop?
Ein Teleskop ist ein Gerät, das weit entfernte Objekte für den Menschen sichtbar macht.
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• Was machen die abgebildeten Teleskope sichtbar?
 und  nehmen klassisch sichtbare Objekte auf. Im Falle des Hubble-Teleskops werden die Daten aus dem Weltraum übertragen, während die Objekte durch das Galilei-Fernglas direkt betrachtet werden. Es werden nicht nur sichtbare, sondern auch
unsichtbare „Objekte“, wie Radiowellen  oder Wärmestrahlung , aufgenommen.
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Sie können die Schüler auch eine Zeitungsschlagzeile oder einen Internettext zu einem aktuellen astronomischen Ereignis mitbringen lassen. Dies steigert die Motivation zusätzlich.
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Falls Ihren Schülern Linsen und Strahlengänge bekannt sind, können Sie direkt
mit dem Material M 5 beginnen und lassen M 3 und M 4 aus.
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M3
M4
Grundlagen: Optische Linsen – weißt du Bescheid? und
Optische Linsen – Vergrößern und Verkleinern
In der anschließenden Erarbeitungsphase, die in Einzel- oder Partnerarbeit durchgeführt
werden kann, wiederholen die Schüler in zwei Teilen ihr Vorwissen zum Thema „Optik“
und festigen es.
Im ersten Teil lernen sie noch einmal die unterschiedlichen Linsentypen kennen und zeichnen die Strahlengänge von konvexer und konkaver Linse (M 3). Die erste Aufgabe fordert
die Schüler auf, anhand der Strahlengänge die verwendeten Linsen zu ergänzen, deren
Brennpunkt F einzuzeichnen und die zugehörige Brennweite f zu messen. Die zweite Aufgabe erfolgt in Partnerarbeit. Hier zeichnen die Schüler zuerst die optische Achse, die
Linsen und deren Brennpunkte an den richtigen Stellen ein. Im Anschluss tauschen die
Schüler ihre Skizzen, und der Partner zeichnet den zugehörigen Strahlengang ein. Zuletzt
kontrollieren sie ihre Ergebnisse gegenseitig.
Der zweite Teil fordert die Lernenden auf, sich mit der Vergrößerung und Verkleinerung
auseinanderzusetzen. Hierzu erstellen die Schüler ein Schaubild, aus dem hervorgeht,
dass eine Sammellinse verkleinern, vergrößern oder das Bild eins zu eins abbilden (M 4)
kann. Im Anschluss erklären sie die Skizze eines Strahlengangs mit zwei hintereinanderstehenden Sammellinsen. So können Ihre Schüler die vergrößernde Wirkung von mehreren Linsen kennenlernen und vermuten, um welches Gerät es sich handelt. Dabei stellt der
Strahlengang sowohl den Aufbau eines Mikroskops als auch den des Galilei-Fernrohrs dar.
40 RAAbits Physik August 2015
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