Menschen auf dem Mond

Aufgaben
Immo Kadner
Menschen auf dem
Mond
Das Apollo-Programm
Apollo 11
NaWi School
Aufgaben
NASA
Von Konstantin Ziolkowski (1857-1935)
stammt die Raketengleichung.
Robert Goddard neben seiner Flüssigkeitsrakete am 16. März 1926. Es war der
erste erfolgreiche Start einer Flüssigkeitsrakete.
Reaktionen der internationalen Presse auf
den Start von Sputnik 1 im Jahre 1957.
2
Der lange Weg zum Mond
1. Das Raketenprinzip ist keineswegs neu. Es stammt aus China. Erläutern Sie Aufbau und
Verwendung der ersten Raketen im alten China.
5. Wir wollen zum Mond. Was
wird gebraucht? Notieren Sie
auf drei Karteikarten drei Dinge, die notwendig sind. Begründen Sie Ihre Wahl.
2. Der Start der ersten Großrakete A4 am 3. Oktober 1943
auf Peenemünde war nur möglich dank der Vorleistungen von
Ziolkowski,
Goddard
und
Oberth. Stellen Sie die Leistungen der drei Wissenschaftler in
einer Tabelle gegenüber.
6. Notieren Sie folgende Begriffe
auf jeweils eine Karteikarte:
Sauerstoff; Wärme; Geschwindigkeit; Treibstoff; Kühlung;
Landefähre und Energie. Welche Begriffe gehören zusammen? Welche Begriffe fehlen?
Ergänzen und begründen Sie.
Schaffen Sie Ordnung und sortieren Sie. Suchen Sie Fotos,
die zu den Begriffen passen.
3. Mit dem Start von Sputnik 1
am 4. Oktober 1957 erhielt der
Wettlauf der Supernächte einen entscheidenden Impuls.
a) Bewerten Sie die Reaktionen der internationalen
Presse. Wann starteten die
USA ihren ersten Satelliten?
Welche Ergebnisse brachte
dieser Flug?
b) Der damalige Präsident der
USA, Eisenhower, stellte
nach dem Start von Sputnik
1 seinen Wissenschaftlern
folgende Frage: "Alles, was
wir sicher über den Sputnik
wissen, sind Höhe und Umlaufgeschwindigkeit.
Können Sie aus diesen Informationen die Masse von Sputnik berechnen?" Beantworten Sie seine Frage. Weshalb war die Information so
wichtig?
4. Am 25. Mai 1961 hielt der damalige Präsident der USA,
John F. Kennedy, seine berühmte Rede vor dem Kongress. Erläutern Sie Anlass
und Inhalt seiner Rede. Nutzen
Sie Originalaufzeichnungen. /8/
7. Im Raum sind mehrere Poster
zum Apollo-Programm verteilt.
Ordnen Sie Ihre Karteikarten
dem jeweiligen Poster zu. Diskutieren und begründen Sie.
8. Ein zentrales Problem bei allen
Weltraumflügen ist die Energieversorgung. Wozu wird
Energie bei Raumflügen gebraucht? Wie wurde sie beim
Apollo-Programm erzeugt?
9. Planen Sie einen Flug zum
Mond. Diskutieren Sie, welche
Probleme zu lösen waren. Ergänzen Sie die Tabelle:
Probleme
Lösungen
9. Ein weiteres zentrales Problem
beim bemannten Mondflug war
die Entwicklung eines optimalen Flugkonzeptes. Beschreiben Sie die drei diskutierten
Konzepte. Stellen Sie in einer
Übersicht die drei Alternativen
sowie ihre Vor- und Nachteile
gegenüber.
/3/
Literatur:
/1/ Grehn/ Krause: Metzler Physik. Braunschweig 2008
/2/ Jaumann/ Köhler: Der Mond - Entstehung, Erforschung, Raumfahrt. 2009
/3/ Kadner: Menschen auf dem Mond. Das Apollo-Programm. Informationsmaterial, Berlin 2014
/4/ Müller, Rainer. Klassische Mechanik. Berlin 2010
/5/ Spaarow: Abenteuer Raumfahrt. München 2007
Tipp!
Beobachten Sie den Flug zum Mond
in der Animation. Dadurch werden
auch komplizierte Manöver anschaulich und verständlich.
Einbau des CSM in die Raketenspitze
NASA
2. Erläutern Sie den Aufbau und
die Funktion des Rettungssystems auf der Raketenspitze.
3. Beschreiben Sie den Aufbau
eines Raumanzuges.
4. Der Flug zum Mond lässt sich
heute auch anhand von computergestützten Animationen
sehr gut nachvollziehen. Auf
diese Weise werden viele Manöver verständlich.
a) Beobachten Sie den Flug
zum Mond die Flugphasen
vom Start bis zur Ladung
auf dem Mond. Ergänzen
Sie dazu die Tabelle im Anhang. Beobachten Sie insbesondere das Manöver
beim Andocken des CSM
an die Mondfähre.
/6/
b) Betrachten Sie mit Google
Earth die Landestelle von
Apollo 11 an. Was für ein
Gerät steht daneben?
5. Von der Ankündigung der
Mondlandung durch Kennedy
bis zum ersten bemannten
Flug von Apollo 8 lag nicht mal
ein Jahrzehnt.
a) Stellen Sie einige Etappen
in einer Tabelle oder Zeitleiste da.
b) Hören Sie sich die Weihnachtsbotschaft von Apollo
8 im Original an. Geben Sie
den Inhalt der Rede mit eigenen Worten wieder. Wer
hatte sie gesprochen? /9/
NASA
1. Für den Flug zum Mond mussten Rakete, Raumschiff und
Mondfähre entwickelt werden.
a) Beschreiben Sie anhand
von Fotos den Aufbau der
Saturn V. Gehen Sie dabei
vor allem auf Größe, Treibstoff und Treibstoffmengen
der Rakete ein.
b) Beschreiben Sie anhand
der Illustration im Lesetext
den Aufbau des Mutterraumschiffes (CSM). Beschriften Sie das nebenstehende Foto. Erläutern Sie
die Funktion einiger Komponenten.
/3/
c) Beschreiben Sie anhand
von Fotos den Aufbau der
Mondfähre (LM). Erläutern
Sie die Funktion wichtiger
Komponenten. Beschriften
Sie das Foto: Triebwerk (1);
Bodensensoren (2); Rendezvous-Radar (3); Lagesteuerraketen (4). Von welcher Mission ist das Foto?
Aufgaben
NASA
Die Technik für den Flug zum Mond
Blick auf die Mondlandefähre
Das CSM mit Rettungssystem
Links:
/6/ Animation des Mondfluges: www.wechoosethemoon.org
/7/ Animation der Landung: www.lehrerweb.at/materials/sek/ph/mondlandung_1969/lander.htm
/8/ Rede Kennedys vor dem Kongress: www.jfklibrary.org/Asset-Viewer/xzw1gaeeTES6khED14P1Iw.aspx
/9/ Weihnachtsbotschaft von Apollo 8: http://de.wikipedia.org/wiki/Apollo_8
Letzte Änderung: 02.09.2014
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Aufgaben
Der Flug zum Mond in einer Illustration des Romas von Jules Verne
Mit Mathematik zum Mond
1. Im Jahre 1874 erschien die
deutschsprachige Ausgabe Die
Reise zum Mond von Jules
Verne. Der Autor beschreibt
darin vor allem die Vorbereitungen des Unternehmens. Als
Fluggerät diente im Roman ein
Geschoss aus Aluminium mit
einer Masse von rund 9000 kg
und 2,75 m Durchmesser. Es
wird in einer Kanone mit einer
Länge von 275 m durch 180 t
Schießbaumwolle angetrieben.
a) Diskutieren Sie, ob es physikalisch möglich wäre, ein
Geschoss mit dieser Kanone zum Mond zu schießen.
b) Berechnen Sie die Beschleunigung des Projektils,
wenn es in der Jules-VerneKanone die Fluchtgeschwindigkeit 11,2 km/s erreichen
soll. Wie lang müsste diese
Kanone sein, damit die Beschleunigung höchsten 20g
beträgt?
/2/
2. Bereits Jules Verne hatte in
seinem Roman die für den
Flug zum Mond notwendige
Geschwindigkeit von etwa
40 000 km/h angegeben.
a) Weisen Sie nach, dass sich
die
Fluchtgeschwindigkeit
mit der folgenden Gleichung
berechnen lässt. Begründen
Sie Ihren Ansatz.
M
r
b) Berechnen Sie diese Geschwindigkeit für die Erde
und für den Mond.
v  2γ
4
3. Ziolkowski hatte bereits 1903
eine Gleichung aufgestellt, die
es ermöglichte, die Endgeschwindigkeit einer Rakete zu
berechnen.
Goddard
und
Oberth haben später unabhängig von einander diese Gleichung ebenfalls ermittelt.
m 
v E  v G ln  0 
 mL 
a) Erläutern Sie anhand dieser
Gleichung die Bedeutung
der Ausströmgeschwindigkeit der Gase und des Massenverhältnisses. Wie muss
demnach eine Rakete gebaut werden, damit man
zum Mond fliegen kann.
b) Bei Apollo 12 brannten die
Triebwerke der ersten Stufe
etwa 161 s. In dieser Zeit
verringerte sich die Masse
der Saturn V von 2880 t auf
761 t. Berechnen Sie die
Endgeschwindigkeit der Saturn V, wenn die Ausströmgeschwindigkeit der Gase
2630 m/s beträgt und die
Schwerkraft zunächst unberücksichtigt bleibt.
c) Der Flug von Apollo 12 ist
sehr gut dokumentiert. Im
Anhang des Materials ist ein
Auszug des Flugberichts
enthalten. Weisen Sie anhand der Tabellenangaben
rechnerisch nach, dass die
tatsächliche Geschwindigkeit der Saturn V nach
161 s fast 2360 m/s beträgt.
Literatur:
/1/ Grehn/ Krause: Metzler Physik. Braunschweig 2008
/2/ Jaumann/ Köhler: Der Mond - Entstehung, Erforschung, Raumfahrt. 2009
/3/ Kadner: Menschen auf dem Mond. Das Apollo-Programm. Informationsmaterial, Berlin 2014
/4/ Müller, Rainer. Klassische Mechanik. Berlin 2010
/5/ Spaarow: Abenteuer Raumfahrt. München 2007
4. Welche Experimente sind auf
den rechten Fotos zu sehen?
5. Die Astronauten von Apollo 15
hatten für ihre Einsetze auf
dem Mond auch ein Mondauto
zur Verfügung.
a) Beschreiben Sie anhand
von Fotos Besonderheiten
im Aufbau dieses Gefährts.
Gehen Sie dabei vor allem
auf den Antrieb, das Fahrgestell und die Räder ein.
b) Beschriften Sie das nebenstehende Foto des Lunar
Rovers.
c) Von welcher Mission ist das
untere Foto? Welche Berge
sind im Hintergrund zu sehen?
Experiment auf dem Mond, Apollo 15
Lunar-Rover
NASA
NASA
1. Unmittelbar nach der Landung
von Apollo 11 begannen die
Astronauten mit dem Aufbau
der Experimente.
a) Beschreiben Sie die Aufgaben des ersten Experiments
auf dem Mond.
/3/
b) Welches Experiment ist auf
der Titelseite des zu sehen?
Welche Universität hat es
entwickelt? Welche Ergebnisse hat es gebracht? /3/
2. Beschreiben Sie anhand von
Fotos einige der wichtigsten
Experimente auf dem Mond.
3. Beschreiben Sie den Aufbau
der seismischen Experimente.
Erläutern Sie ihre Durchführung. Welche Ergebnisse haben sie erbracht?
Aufgaben
NASA
Experimente auf dem Mond
Experiment auf dem Mond, Apollo 16
Links:
/6/ Animation des Mondfluges: www.wechoosethemoon.org
/7/ Animation der Landung: /www.lehrerweb.at/materials/sek/ph/mondlandung_1969/lander.htm
/8/ Rede Kennedys vor dem Kongress: www.jfklibrary.org/Asset-Viewer/xzw1gaeeTES6khED14P1Iw.aspx
/9/ Weihnachtsbotschaft von Apollo 8: http://de.wikipedia.org/wiki/Apollo_8
Letzte Änderung: 02.09.2014
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Aufgaben
Experimente mit Wasserraketen
Eine Wasserrakete kann mit einfachen Mitteln aus dem Haushalt und Hobbybereich gebaut werden. Kunststoffflaschen aus PET, ein Flaschenkorken und ein Fahrradventil sind die wichtigsten Materialien.
Aufgaben:
1. Baue eine Wasserrakete.
2. Untersuche im Experiment, bei welchem Verhältnis Wasser-Luft die
größte Steighöhe erreicht wird.
Vorbereitung:
1. Beschaff Dir aus dem Haushalt und Hobbybereich die Materialien zum
Bau der Wasserrakete.
2. Das Kernstück der Wasserrakete ist ihr Verschluss durch einen Korken
mit einem Ventil in der Mitte. Der durchbohrte Stopfen aus Kork sorgt
für einen luftdicht Verschluss des Flaschenhalses. Am besten nutzt
man ein Fahrradventil aus einem (ausgedienten) Fahrradschlauch.
Durchführung:
1. Fülle die Rakete zu 50 % mit Wasser. Beginne mit der 1 Liter-Flasche.
Starte die Rakete mehrmals. Schätze die Steighöhe. Wiederhole den
Start mit anderen Flaschengrößen. Ergänze die Tabelle.
2. Wiederhole die Messungen mit der 1 Liter-Flasche bei unterschiedlichen Füllmengen. Ergänze die Tabelle. Beobachte den Flug.
3. Durch welche Veränderungen an der Rakete könnte ihre Steighöhe verbessert werden? Entwerft. Skizziert. Diskutiert. Beobachte das Flugverhalten der Rakete. Achte dabei insbesondere auf die Flugbahn sowie
das Verhalten des Raketenkörpers, wie Eigenrotation oder Kippen der
der Rakete. Durch welche technische Veränderung lässt sich ein stabiler Flug der Rakete erreichen? Erfinde und teste.
Flaschengröße
Materialliste:
 PET-Flaschen (z.B. 0,5 l; 1,0 l),
 Sektkorken,
 Fahrradschlauch,
 Luftpumpe mit Manometer,
 Akkuschrauber, Bohrer, Schere
Hinweise zum Bau:
 Um den Flaschenhals dicht zu be


6
kommen, sollte der Korken mit
Sandpapier geglättet werden.
Der Innendruck muss stets der gleiche sein.
Der kegelförmige Korken muss stets
gleichtief in den Flaschenhals gedrückt werden. Am besten die Stelle
mit einem Stift markieren!
Der Bohrer sollte etwas kleiner im
Durchmesser als das Ventil sein.
Steighöhe
Füllmenge
0,5 l
20 %
1,0 l
30 %
1,5 l
40 %
Steighöhe
Auswertung:
1. Formuliere die Versuchsergebnisse. Wie hoch war die Steighöhe?
2. Durch welche Veränderungen an der Rakete könnte ihre Steighöhe verbessert werden? Diskutiert. Entwerft. Skizziert.
3. Damit die Rakete gezielt gestartet werden kann, ist ein Mechanismus
zum Auslösen erforderlich. Erfinde einen Startmechanismus.
4. Zur Verbesserung der Sicherheit der Beobachter, können die Raketen
mit weichen Spitzen versehen werden.
5. Um die Landezeit zu verlängern, kann ein Fallschirm angebaut werden.
Entwickle dafür eine technische Lösung.
6. Entwickle eine zweistufige Wasserrakete.
Literatur:
/1/ Grehn/ Krause: Metzler Physik. Braunschweig 2008
/2/ Jaumann/ Köhler: Der Mond - Entstehung, Erforschung, Raumfahrt. 2009
/3/ Kadner: Menschen auf dem Mond. Das Apollo-Programm. Informationsmaterial, Berlin 2014
/4/ Müller, Rainer. Klassische Mechanik. Berlin 2010
/5/ Spaarow: Abenteuer Raumfahrt. München 2007
Anhang
Auszug aus dem Flugbericht von Apollo 12 (Postflight Trajectory - AS-507): Zeit, Ort, Geschwindigkeit
und Beschleunigung in x-, y- und z-Richtung
Stage
Zeit
2
00:02:30
3
4
02:50:00
Manöver
32000 ft/s =
Translunarorbit
26 314 ft/s
Andocken des CSM an LM
2917 ft/s = 0,98 km/s
Ankunft im Mondorbit
5368 ft/s = 1,64 km/s
Trennung LM von CSM
04:41:00
7
8
Geschwindigkeit
der Rakete
9300 ft/s = 2,84 km/s
5
6
Abstand
von der Erde
100:12:00
9
10
102:43:00
11
Landeanflug
Landung
Tab. 3 Flugdaten zur Computeranimation (s. Aufgabe 4, Seite 3)
Links:
/6/ Animation des Mondfluges: www.wechoosethemoon.org
/7/ Animation der Landung: /www.lehrerweb.at/materials/sek/ph/mondlandung_1969/lander.htm
/8/ Rede Kennedys vor dem Kongress: www.jfklibrary.org/Asset-Viewer/xzw1gaeeTES6khED14P1Iw.aspx
/9/ Weihnachtsbotschaft von Apollo 8: http://de.wikipedia.org/wiki/Apollo_8
Letzte Änderung: 02.09.2014
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Haftungsausschluss:
Der Aufgabenkatalog wurde sehr sorgfältig erstellt. Dennoch übernimmt der Herausgeber keine Haftung für
die Richtigkeit der Angaben und Informationen.
Impressum:
Autor und Herausgeber: Immo Kadner, Berlin 2014
Redaktion: Immo Kadner, Berlin
Links:
Titelseite
(Eugene www.wechoosethemoon.org
Cernan im Lunar Rover, Apollo 17, 11. Dezember 1972): NASA
/6/Foto
Animation
des Mondfluges:
/7/Bestellungen:
Animation der Landung:
/www.lehrerweb.at/materials/sek/ph/mondlandung_1969/lander.htm
[email protected]
8
/8/ Rede Kennedys vor dem Kongress: www.jfklibrary.org/Asset-Viewer/xzw1gaeeTES6khED14P1Iw.aspx
NaWi School
/9/ Weihnachtsbotschaft von Apollo 8: http://de.wikipedia.org/wiki/Apollo_8
Letzte Änderung: 02.09.2014