Unterrichtsmaterialien zum Thema "Astronomie"

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Die Gezeiten – woher kommt der zweite Flutberg?

Unterrichtseinheit

Wissen Sie eigentlich wie Ebbe und Flut entstehen? Irgend etwas mit dem Mond? Oder wegen der Drehung der Erde? Keine Sorge. Selbst der große Galileo Galilei (1564-1642) lag mit seiner Gezeiten-Theorie falsch. Also mal ganz von vorne ...Die hier vorgestellte Unterrichtseinheit zur Gezeitenwirkung des Monds basiert auf interaktiven Webseiten mit dynamischen GeoGebra-Applets. Animierte Simulationen schaffen Visualisierungsmöglichkeiten, die auf dem Papier und an der Tafel nicht realisierbar sind und das Verständnis erleichtern. Lehrende oder Lernende können mithilfe der Maus am Computer die Zeichnungen und Konstellationen kontinuierlich verändern und so bestimmte Fragestellungen verfolgen und dynamisch überprüfen. Dies ermöglicht einen aktiv-entdeckenden Zugang zu den geophysikalischen Sachverhalten. Interaktive Animationen verdeutlichen das Prinzip der Umwälzbewegung Anlass für die Erstellung dieser Lerneinheit waren wiederholte Anfragen interessierter Schülerinnen und Schüler, wie die Gezeiten und speziell der "mondabgewandte Flutberg" entstünden. Die dabei zu Tage tretenden Fehlvorstellungen sind auch in manchen Büchern und im Internet zu finden. Prinzipiell lassen sich zwei verschiedene Ansätze zur Erklärung der Gezeitenkräfte unterscheiden: Das Modell der Umwälzbewegung, bei dem Erde und Mond ihren gemeinsamen Schwerpunkt umkreisen, und das Modell der Fallbewegung, bei dem die (ausgedehnte) Erde im inhomogenen Gravitationsfeld des Monds "frei fällt". Die hier vorgestellte Lernumgebung verdeutlicht das Prinzip der Umwälzbewegung mithilfe von interaktiven Animationen, die sich bei der Veranschaulichung der grundlegenden Sachverhalte als sehr hilfreich erwiesen haben. Erneuerbare Energien aus Gezeitenkraftwerken Die Beschäftigung mit den Gezeiten ermöglicht einen interessanten "Haken" zum Thema Erneuerbare Energien: Die starke Strömung bei Ebbe und Flut lässt sich zum Antrieb von Turbinen und damit für die Produktion von elektrischem Strom nutzen. Das älteste Gezeitenkraftwerk wurde bereits 1968 an der Nordküste der französischen Bretagne gebaut. Das Kraftwerk liefert jährlich 600 Millionen Kilowattstunden an elektrischer Energie. Damit kann immerhin eine Stadt wie Mannheim mit Strom versorgt werden. Einsatzmöglichkeiten und Gestaltung der Materialien Die dynamischen Arbeitsblätter können zur Einführung, Wiederholung oder selbstständigen Erarbeitung des Stoffs eingesetzt werden. Die Schülerinnen und Schüler sollen Fachbegriffe im Zusammenhang mit den Gezeiten kennen und genau differenzieren können. das Prinzip der Umwälzbewegung ("Revolution ohne Rotation") verstehen. die Entstehung der Gezeitenkräfte des Monds und das Zustandekommen von zwei Flutbergen erklären können. verbreitete Fehlvorstellungen und unzulängliche Erklärungen der Gezeiten entlarven können. didaktisch reduzierte Modelle von der Komplexität der realen Sachverhalte unterscheiden können. Hilfreiche physikalische Lernvoraussetzung für das Verständnis sind Grundkenntnisse über Kräfte. Insbesondere deren Addition kann über eine weitere dynamische Lernumgebung, die auch in den Materialien zur Entstehung der Gezeiten verlinkt ist, demonstriert werden: GeoGebra.org: Addition von Kräften Die Lernumgebung verdeutlicht die Addition von Kräften und schafft damit eine Grundlage für das Verständnis der Gezeitenentstehung. Die Problematik der Verwendung von Zentri fugal kräften und den damit einhergehenden Wechsel in das rotierende Bezugssystem wurde aufgrund eines erfahrungsgemäß leichteren Zugangs in Kauf genommen (zum Beispiel Demonstration der "fliegenden Haare zweier sich umtanzender Schülerinnen). Einige der gerade bei diesem Thema zahlreich auftretenden, verkomplizierenden und weiterführenden Aspekte wurden in das abschließende Kapitel der Lernumgebung "Darf's ein bisschen mehr sein?" ausgelagert. Für die Lerneinheit bieten sich zwei Einsatzmöglichkeiten an: Begleitende dynamische Visualisierung der Erklärung geophysikalischer Sachverhalte während der Neudurchnahme im Unterricht Selbständige, aktiv-entdeckende Erarbeitung des (eventuell bereits im Unterricht thematisierten) Stoffs durch die Lernenden Textgestaltung, "Mouse-Over-Effekte" Erläuternde Texte wurden bewusst prägnant gehalten, um eine zügige und selbstständige Erarbeitung zu unterstützen. Bei Präsentationen können die Texte als Leitfaden dienen. Wichtige Begriffe sind farblich hervorgehoben. Zeigt man mit der Maus auf die dunkelrot markierten, werden eine kurze Definition oder Zusatzinformationen eingeblendet (Mouse-Over-Effekte). Zur Gewährleistung eines möglichst linearen Lernablaufs wurden Hyperlinks nur sehr sparsam eingesetzt. Interaktive GeoGebra-Applets Auf eine Bedienungsanleitung der Applets wurde verzichtet. Erfahrungsgemäß entdecken Schülerinnen und Schüler die interaktiven Möglichkeiten bei einer ernsthaften Beschäftigung mit den Darstellungen schnell selbst. Der kleine Abspielknopf (meist links unten; Abb. 1 zur Vergrößerung bitte anklicken) in den Applets erlaubt eine kontinuierliche Animation der Zeichnungen. Für das Einstellen bestimmter Konstellationen erweist sich aber auch die manuelle Justierung des Zeitreglers (Schieberegler) als hilfreich. Parameter oder Einblendungen können jederzeit auch während der Animation verändert werden (bei dem in Abb. 1 gezeigten Screenshot eines Applets zum Beispiel die Darstellung der verschiedenen Kräfte). Für die Größe der Applets wurde ein Kompromiss zwischen Übersichtlichkeit und hardwaretechnischen Voraussetzungen (zum Beispiel in Schulen weit verbreitete alte Beamer und Monitore mit kleinen Auflösungen) angestrebt, was bei Darstellungen astronomischer Dimensionen nicht immer einfach ist. Tipp: Nutzen Sie die Taste F11 zur Vollbild-Darstellung der Webseiten.

  • Astronomie / Geographie / Physik
  • Sekundarstufe I

Die Entstehung der Jahreszeiten

Unterrichtseinheit

In dieser Unterrichtseinheit zum Thema Jahreszeiten erstellen die Schülerinnen und Schüler für einen fiktiven Fernsehbericht einen Kommentar zu einer Animation über die Entstehung der Jahreszeiten.Die Ausprägung der Jahreszeiten beeinflusst täglich die Tages- und Freizeitgestaltung der Schülerinnen und Schüler. In den Medien wird regelmäßig über den anthropogen verursachten Klimawandel berichtet und in diesem Zusammenhang auch über eine Verkürzung einzelner Jahreszeiten, eine Veränderung der Neigung der Erdachse und die Verschiebung von Klima- und Vegetationszonen. Dabei wird der Sachverhalt zum Teil sehr emotional und auf der Ebene des "Halbwissens" diskutiert. Um den Schülerinnen und Schülern eine sachlich korrekte Einschätzung zu ermöglichen, sollen sie in die Lage versetzt werden, die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Phänomene zu verstehen und zu beurteilen.Der inhaltliche Schwerpunkt dieser Einheit liegt auf der durch die Neigung der Erdachse bedingten Entstehung der Jahreszeiten. In einer weiteren Einheit ließe sich, zum Teil anhand derselben Materialien, dann auch die Entstehung der Klimazonen erklären. Aufgabenstellung und Hinweise zum Einsatz der Materialien Auf dieser Seite finden Sie die Materialien zur Unterrichtseinheit "Die Entstehung der Jahreszeiten" und eine Schilderung des "Szenarios", in dessen Rahmen die Schülerinnen und Schüler einen Animationskommentar erstellen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler benennen den 21. März, den 21. Juni, den 23. September und den 22. Dezember als Beginn der vier Jahreszeiten. erkennen und erklären die Neigung der Erdachse als Ursache der Jahreszeiten. lernen den Einfluss des Mondes als stabilisierende Kraft der Erdachse kennen. üben in der Nachbesprechung der Stunde Modellkritik (fakultativ). Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erörtern Mediendarstellungen kritisch. Einstieg in das Thema Die Lehrkraft präsentiert eine reißerische Schlagzeile zum Thema "Erdachse kippt". Alternativ können auch andere aktuelle Schlagzeilen aus der Presse verwendet werden. Arbeitsauftrag Ein Fernsehredakteur hat im Archiv des Senders eine Animation zum Thema "Entstehung der Jahreszeiten" (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) entdeckt und möchte sie zur Untermalung einer Live-Reportage verwenden. Leider ist der Ton zum Film verloren gegangen, und so muss ein neuer Kommentar verfasst werden. Da die Reportage in 40 Minuten beginnt, hat der Redakteur aber keine Zeit mehr, um sich selber über die Entstehung der Jahreszeiten zu informieren. Dies ist die Aufgabe der Schülerinnen und Schüler in dieser Unterrichtseinheit. Durch die Materialien sowie die Sozial- und Aktionsformen (Partner- oder Kleingruppenarbeit, Schülerpräsentationen) wird die Medien- und Kommunikationskompetenz der Schülerinnen und Schüler gefördert. Zudem lernen sie durch das fiktive Medienszenario auch unter "Termindruck" zu arbeiten. Der Wechsel der Jahreszeiten erfolgt zu folgenden Zeitpunkten: 21. März = Frühlingsanfang, 21. Juni = Sommeranfang, 23. September = Herbstanfang, 22. Dezember = Winteranfang Die Erdachse ist um 23,5 Grad geneigt. Dadurch entsteht eine unterschiedliche Beleuchtung (Tageslänge) der Nord- und der Südhalbkugel. Durch die Neigung der Erdachse und den Umlauf der Erde um die Sonne kommt es zur Ausprägung der Jahreszeiten. Der Mond stabilisiert die Lage der Erdachse. Ohne ihn wären die Jahreszeiten extremer und chaotisch. Die Darstellungen in Zeitungsartikeln sind oft übertrieben. Mit natürlichen Phänomenen wird Angst erzeugt. Das in dem Online-Arbeitsblatt verwendete Animationsmodell ist vereinfacht. Es berücksichtigt nicht den Einfluss der Gravitation des Mondes.

  • Astronomie / Geographie
  • Sekundarstufe I

Ein Modell des Sonnensystems auf dem Schulhof

Unterrichtseinheit

In diesem Unterrichtsprojekt veranschaulichen die Schülerinnen und Schüler unsere "Adresse im Sonnensystem" eindrucksvoll durch ein selbst erstelltes und geeignet skaliertes Modell des Sonnensystems in der vertrauten Umgebung des Schulhofs.Wenn das Modell der Sonne an einem zentralen Ort in der Schule platziert wird, reichen die inneren Planeten meist bis auf den Sportplatz. Die äußeren Planeten können in einer Google Earth-Karte "virtuell verortet" werden. Die Lernenden untersuchen in dem hier vorgestellten Projekt nicht nur die Entfernungen innerhalb des Sonnensystems, sondern erkunden auch die Größen- und Massenverhältnisse der Himmelskörper vor unserer astronomischen Haustür.Die Lernenden entwickeln in diesem Projekt ein verkleinertes Abbild unseres Sonnensystems mit seinen Planeten und Monden. Um die riesigen Entfernungen anschaulich darzustellen, wird der Durchmesser der Sonne auf einen Meter festgelegt. In diesem Maßstab werden dann die Durchmesser und Umlaufbahnen der Planeten sowie ihrer Monde berechnet. Mit geeigneten Materialen (Styropor und Papierkugeln, Fäden und Namensschildchen) soll ein Modell des Sonnensystems gebaut und auf dem Schulgelände ausgestellt werden. Hinweise zum Unterrichtsverlauf und Materialien In arbeitsteiliger Gruppenarbeit recherchieren die Lernenden mithilfe von Lexika, Atlanten und des Internets die benötigten Daten, rechnen sie um und stellen sie in Modellen dar. Die Schülerinnen und Schüler lernen die Größenordnungen (Abstände und Massen) im Sonnensystem kennen. können die betrachteten Größen im richtigen Maßstab umrechnen. können geeignete Modelle auswählen oder selbst basteln. lernen die Eigenschaften und Besonderheiten der Planeten unseres Sonnensystems kennen und können sie in Steckbriefen präsentieren. entwickeln Gedichte, Bilder oder andere kreative Darstellungen zum Thema. können im Internet und in Büchern recherchieren. können mit Google Earth Distanzen bestimmen und Markierungen setzen. 1. Entfernungen im Sonnensystem - eine Landkarte Wenn die Sonne einen Durchmesser von einem Meter hätte, in welchem Abstand würden dann die Planeten um sie kreisen? Die Schülerinnen und Schüler tragen ihre Ergebnisse in eine Landkarte ein. Für die Sonne wird ein geeigneter Standort auf dem Schulgelände gewählt. Während die inneren Planeten noch vor der Haustür der Schule liegen, werden die Entfernungen der äußeren Planeten mithilfe von Google Earth virtuell verortet (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) 2. Massenverhältnisse im Sonnensystem Wenn die Sonne soviel wie eine Tonne wiegen würde (dies entspricht dem Gewicht von einem Kubikmeter Wasser), wie viel Gramm würden dann die Planeten wiegen? Die Massenverhältnisse der Planeten werden mithilfe geeigneter Materialien veranschaulicht, zum Beispiel mit der Füllung von Gefäßen. 3. Erde und Mond Wenn die Erde einen Durchmesser von 50 Zentimetern hätte, wie groß wäre dann der Mond und in welchem Abstand würde er die Erde umkreisen? Die Lernenden basteln ein maßstabsgetreues Erde-Mond-System und verbinden die Himmelskörper mit einer Schnur. 4. Vergleich der Durchmesser der Himmelskörper Wenn die Sonne einen Meter groß wäre, wie groß wären dann die Planeten? Zur Veranschaulichung der Ergebnisse erstellen die Schülerinnen und Schüler zweidimensionale Planetenmodelle und kleben sie auf einer ein Meter großen Sonnenscheibe auf (Abb. 2). Die übrigen Gruppen beschäftigen sich mit einzelnen Planeten-Mond-Systemen. Wenn die Sonne einen Meter groß wäre, wie groß wären die Planeten der Monde und in welchen Abstand würden sie um ihre Planeten kreisen? Die Monde eines Planeten werden auf einer dünnen Angelschnur im Modellabstand aufgereiht, mit einem Namensschildchen versehen und an ihrem Planeten befestigt. Zur Größenordnung der Modelle: Jupiter hat bei einem Maßstab von 1:1,4 Milliarden einen Durchmesser von etwa 10 Zentimetern. Merkur ist dann gerade einmal 3 Millimeter groß. Die Jupitermonde liegen in der Größenordnung von Merkur (tatsächlich ist Kallisto fast gleich groß, Ganymed sogar größer). Die kleinen Monde lassen sich zum Beispiel mit kleinen Perlen oder Stecknadeln darstellen. Die gebastelten Planeten-Mond-Systeme werden in der Schule aufgehängt. Als Sonnenmodell kann ein Sitzball oder Ballon entsprechender Größe verwendet werden. Zu jedem Himmelskörper wird auch ein Steckbrief beziehungsweise ein Plakat erstellt und ebenfalls im Schulgebäude ausgestellt (Abb. 3). 5. Merkur, Venus, Mars und Erde 6. Jupiter 7. Saturn 8. Uranus 9. Neptun und die Zwergplaneten Pluto und Sedna

  • Astronomie / Geographie / Physik
  • Sekundarstufe I

Gibt es Leben auf Enceladus?

Unterrichtseinheit

Eine Milliarde Kilometer von der Sonne entfernt umkreist ein winziger Mond namens Enceladus den Saturn. Enceladus ist eines der hellsten Objekte im Sonnensystem. Vermutungen zufolge sollen sich auf ihm Ozeane mit heißem, flüssigem Wasser befinden. Könnte Enceladus demnach Heimat für außerirdisches Leben sein?Durch Hinweise der Weltraumsonde Cassini vermutet man Ozeane heißen Wassers auf Saturns Eismond Enceladus. Könnte sich in diesen Ozeanen außerirdisches Leben befinden? In dieser Unterrichtseinheit wenden die Lernenden ihr Wissen über das Verhalten von Wasser in flüssigem und gefrorenem Zustand an, um die Beweise für oder gegen die Existenz flüssigen Wassers auf Enceladus abzuwägen. Anschließend entscheiden sie, ob es sinnvoll ist, eine zweite Raumsonde ins Weltall zu schicken, die nach außerirdischem Leben auf diesem Eismond sucht. Bezug zum Lehrplan Wissenschaftliches Arbeiten Experimentelle Fähigkeiten und Recherchen: Interpretation von Beobachtungen und weiteren Daten und Darstellung begründeter Erklärungen Physik Materie: Die Unterschiede der Partikelanordnungen erklären Zustandsänderungen, Form und Dichte sowie die Dichteanomalie von Eiswasser. Chemie Partikel: Beschreibung der wichtigsten Merkmale des Partikelmodells in Bezug auf Zustände der Materie. Ablauf Ablauf der Unterrichtseinheit "Enceladus" Der Ablauf der Unterrichtssequenz "Gibt es Leben auf Enceladus?" ist auf dieser Seite übersichtlich für Sie zusammengestellt. Die Schülerinnen und Schüler lernen, wie durch Partikelanordnungen die Eigenschaften flüssigen Wassers und Eis erklärt werden können. bewerten die Bedeutung eines Beweises für eine Schlussfolgerung. Über das Projekt Das Projekt ENGAGE ist Teil der EU Agenda "Wissenschaft in der Gesellschaft zur Förderung verantwortungsbewusster Forschung und Innovation" (Responsible Research and Innovation, RRI). ENGAGE Materialien werden durch das von der Europäischen Kommission durchgeführte Projekt ENGAGE als Open Educational Resources herausgegeben. Erste Aufgabe Zeigen Sie Folie 2 der PowerPoint-Präsentation (PPT), um Enceladus vorzustellen, ein Mond des Saturns. Die Schülerinnen und Schüler sollen paarweise Vermutungen anstellen, warum der Mond so hell ist. Bitten Sie um Feedback. Zeigen Sie Folie 3 der PPT und erklären Sie, dass die eisige Oberfläche von Enceladus 99 Prozent des Sonnenlichts reflektiert, das auf ihm ankommt. Aus diesem Grund erscheint er so hell. Eruieren Sie den Schmelzpunkt des Wassers auf der Erde (0 ºC) und bitten Sie die Schülerinnen und Schüler um Vorschläge, wo sich das flüssige Wasser auf Enceladus befinden könnte. Überprüfen Sie, ob die Lernenden den Unterschied der Partikelanordnung in einer typischen Substanz in ihrem festen und flüssigen Zustand kennen. Zeigen Sie Folie 4 der PPT, um eine Theorie über die Ursprünge des Lebens auf der Erde zu präsentieren. Könnten auf Enceladus ähnliche Quellen unterhalb der Wasseroberfläche vorkommen? Könnte sich auf diesem Mond außerirdisches Leben befinden? Wenn Sie möchten, können Sie einen Videoclip über Enceladus und sein Potential für die Entwicklung von Leben zeigen. Stellen Sie anschließend die Lernziele auf Folie 5 der PPT vor. Beweise zuordnen Zeigen Sie Folie 6 der PPT und erzählen Sie den Schülerinnen und Schülern von Cassini, einer Roboter-Weltraumsonde, die seit 2004 täglich einen Datenstrom aus dem System des Saturns schickt. Die Folie stellt zwei Schlussfolgerungen dar, die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus diesen Daten gewonnen haben. Zeigen Sie Folie 7 der PPT und definieren Sie die Aufgabe. Die Schülergruppen analysieren die im Klassenzimmer aufgehängten Beweiskarten (SI1a-h) und entscheiden, welcher Beweis für oder gegen die Schlussfolgerung, es gäbe heißes Wasser auf Enceladus, spricht. Sie sollen den Titel jeder Beweiskarte in eines der Kästchen auf Folie SI2 schreiben. Die vorgeschlagenen Antworten lauten: Beweis für die Schlussfolgerung - A, B, C, E, F, H Beweis gegen die Schlussfolgerung - D, G Bearbeitung der Aufgaben Die Schülergruppen lösen nun Aufgabe 3 auf Folie 7 der PPT. Es existiert nicht die eine richtige Antwort - es liegt an den Lernenden, die Beweise für sich selbst abzuwägen. Einzelne Schülerinnen und Schüler können Aufgabe 4 auf Folie 7 der PPT lösen, um eine Bewertung für individuelles Lernen zu erhalten. Zeigen Sie Folie 8 der PPT. Die Schülergruppen oder die gesamte Klasse sollen darüber diskutieren, ob es sich lohnt, eine weitere Weltraumsonde auf Enceladus landen zu lassen, um nach außerirdischem Leben zu suchen. Während der Diskussion werden weitere Fragen auftauchen, wie zum Beispiel: Welchen Nutzen hätte es für verschiedene Personengruppen, wenn sich auf Enceladus Lebewesen befinden? Wie viel kostet es, eine Raumsonde zu diesem Mond zu schicken? Wann könnten Wissenschaftler mithilfe der Daten der Raumsonde diese Frage beantworten?

  • Astronomie / Chemie / Physik
  • Sekundarstufe II

Die Entfernung der Galaxie M100

Unterrichtseinheit

Schülerinnen und Schüler werten mithilfe von Daten des Hubble-Weltraumteleskops die Perioden und scheinbaren Helligkeiten von Cepheiden-Veränderlichen in der Galaxie M100 aus und ermitteln so deren Entfernung.Die Helligkeit der Delta-Cephei-Sterne variiert periodisch. Eine bestimmte Periodenlänge entspricht dabei einer ganz bestimmten mittleren Strahlungsleistung. Diese wiederum ergibt zusammen mit der scheinbaren Helligkeit die Entfernung. Voraussetzung dafür ist allerdings, dass die Entfernungsskala mithilfe von solchen Cepheiden geeicht wurde, deren Entfernung auf ganz unabhängige Weise ermittelt werden kann. In diesem Zusammenhang spielt die in der Unterrichtseinheit Die Entfernung der Supernova SN 1987A bestimmte Entfernung zur Supernova in der Großen Magellanschen Wolke eine Schlüsselrolle: In dieser findet man nämlich sehr viele veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei, deren Entfernungsskala mithilfe der Supernova mit bisher nicht gekannter Präzision geeicht werden kann. Neben den Arbeitsmaterialien und Aufgabenstellungen für die Schülerinnen und Schüler steht im Downloadbereich auch eine Handreichung für Lehrkräfte mit weiteren ausführlichen Informationen zur Verfügung.Obwohl in den Details durchaus kompliziert, sind die Prinzipien der Entfernungsbestimmungen einfach genug, um von Schülerinnen und Schülern der Oberstufe verstanden und angewandt werden zu können. Aus der Mathematik werden in dieser Unterrichtseinheit lediglich Kenntnisse über den dekadischen Logarithmus vorausgesetzt. Die kosmische Entfernungsskala Methoden der Entfernungsbestimmung: Schülerinnen und Schüler erklimmen zwei Stufen der kosmischen Entfernungsleiter. Informationen und Materialien zur Entfernungsberechnung von M100 Wie entsteht der Lichtwechsel der Cepheiden-Veränderlichen? Welche Eigenschaften machen sie zu Entfernungsindikatoren? Die Schülerinnen und Schüler verstehen die Ursachen des Lichtwechsels von Delta-Cephei-Sternen. werten Lichtkurven von Cepheiden aus und bestimmen mithilfe dieser "Standard-Kerzen" die Entfernung von M100. werden dazu angeregt, den Namensgeber der Cepheiden im Sternbild Kepheus oder andere Cepheiden selbst zu beobachten. Freedman, W.L., Madore, B.F., Mould, J.R. und andere (1994): Distance to the Virgo cluster galaxy M100 from Hubble Space Telescope observations of Cepheids, Nature 371 (1994), Seite 757-762. Gaposhkin, S. I. (1970): The Large Magellanic Cloud: Its Topography of 1830 Variable Stars, Smithsonian Institution Astrophysical Observatory Special Report Nr. 310, Cambridge (MA) 1970. Für die nähere Umgebung: Radarechos und trigonometrische Parallaxe Vergleichsweise kleine Entfernungen, wie die innerhalb unseres Sonnensystems, lassen sich aus der Laufzeit von Radarechos ermitteln. Für die Sterne der näheren Sonnenumgebung ist die Methode der trigonometrischen Parallaxe anwendbar. Sie beruht auf der Messung der Verschiebung dieser Sterne gegenüber sehr viel weiter entfernten Sternen, wenn man sie von verschiedenen Positionen der Erdbahn aus beobachtet. Dieser Effekt ist vergleichbar mit der Erfahrung, dass man ein und dasselbe Objekt einer Landschaft aus einem fahrenden Zug heraus auf dauernd wechselnde Punkte am Horizont projiziert. Erscheint, von einem Stern aus gesehen, die große Halbachse der Erdbahn unter einem Winkel von einer Bogensekunde, so hat er eine Entfernung von einem Parsec (1 Parsec = 3,26 Lichtjahre). Bei viel weiter entfernten Objekten kommen andere Methoden zur Entfernungsbestimmung in Betracht: Vergleich der wahren (etwa in Parsec gemessenen) Größe der Objekte mit dem Winkeldurchmesser, unter dem sie dem Betrachter erscheinen. Vergleich der absoluten Helligkeit (oder Leuchtkraft) der Objekte mit der scheinbaren Helligkeit, die sie für den Beobachter haben. Beide Methoden sind dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer relativ leicht zu bewältigenden und einer schwierigen Aufgabenstellung bestehen. Scheinbare Helligkeiten und Winkeldurchmesser sind der Messung direkt zugänglich. Aussagen über die Leuchtkraft oder die wahre Größe von Himmelsobjekten sind viel schwieriger zu treffen und erfordern in der Regel ein tiefes Verständnis der physikalischen Natur dieser Objekte. In zwei Projekten lernen die Schülerinnen und Schüler ein Beispiel für je eine der Methoden zur Bestimmung großer Entfernungen kennen. Nachdem zuvor in der Unterrichtseinheit Die Entfernung der Supernova SN 1987A (siehe auch Fosbury, 1994) das erste Verfahren praktiziert wurde, kommt in dem hier vorgestellten Projekt die zweite Methode zum Einsatz: der Vergleich von scheinbarer und absoluter Helligkeit bei Delta-Cephei-Sternen zur Entfernungsbestimmung der Spiralgalaxie M100 im Virgo-Galaxienhaufen. Dabei hat die Durchsichtigkeit des Messprinzips gegenüber der erreichten Genauigkeit aus didaktischen Gründen den Vorrang. "Standard-Kerzen" im All Veränderliche Sterne vom Typ Delta Cephei sind sehr zuverlässige Entfernungsindikatoren, da man durch die Beobachtung ihres regelmäßigen Lichtwechsels zuerst auf ihre Leuchtkraft und dann aus dieser und der scheinbaren Helligkeit auf ihre Entfernung schließen kann. Zu jeder Lichtwechselperiode gehört nämlich eine ganz bestimmte mittlere Leuchtkraft, denn je größer ein Stern ist (je mehr Masse er hat), desto leuchtkräftiger ist er und desto länger braucht er für eine Pulsation. Der Lichtwechsel der Cepheiden mit Perioden bis zu einhundert Tagen ist durch einen raschen Anstieg zum Helligkeitsmaximum und einen vergleichsweise langsamen Abfall zum Minimum gekennzeichnet (Abb. 1). Freie Elektronen verursachen einen Strahlungsstau Cepheiden sind massereiche und leuchtekräftige Sterne, die bereits ein fortgeschrittenes Stadium ihrer Entwicklung erreicht haben, obwohl sie - absolut gesehen - noch jung sind. Ihre Atmosphären, in denen Helium ein wesentlicher Bestandteil ist, befinden sich nicht im hydrostatischen Gleichgewicht. Infolge hoher Temperaturen liegt das Helium normalerweise bereits in einfach ionisierter Form vor. Wenn die Strahlung aus dem Sterninnern den Heliumatomen auch ihr zweites Elektron entreißt, sind viele freie Elektronen vorhanden, die sich mit ihrer großen Beweglichkeit der Strahlung in den Weg stellen und einen Strahlungsstau verursachen. Expansion verschafft Abkühlung Der Strahlungsstau kann sich entladen, indem der Stern expandiert und dabei abkühlt. Bei der Abkühlung können die Heliumkerne viele Elektronen wieder einfangen, so dass die Strahlung wieder besser entweichen kann. Die Gravitation beginnt zu dominieren und veranlasst den Stern zu schrumpfen. Dann beginnt der Zyklus von neuem. Die Unterrichtseinheit basiert auf Daten des Hubble-Weltraumteleskops, das Cepheiden-Veränderliche im Sternenmeer von M100 aufstöberte und deren Zyklen dokumentierte. Abb. 2 zeigt drei zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommene Bilder eines Cepheiden, dessen Daten in dieser Übung verwendet werden. Der Stern befindet sich in einem Sternentstehungsgebiet in einem der Spiralarme der Galaxie im Zentrum der - auf dem großen Bild nur scheinbar leeren - Region des kleinen Kastens. Während des Projektes zur Entfernungsbestimmung bietet es sich an - soweit dies der Stand des Sternbildes Kepheus ermöglicht - den Namenspatron der Cepheiden-Veränderlichen, Delta Cephei, selbst ins Visier zu nehmen. Der 892 Lichtjahre entfernte Stern ist ein gelber Überriese und schwankt mit einer Periode von etwa 5,4 Tagen in seiner scheinbaren Helligkeit zwischen den Größenklassen +3,6 und +4,6. Schülerinnen und Schüler können mit der Argelander-Stufenschätzmethode selbst eine Lichtkurve des Sterns erstellen. Die Methode wird in der folgenden Unterrichtseinheit von Dr. Olaf Fischer aus Freiburg ausführlich vorgestellt:

  • Astronomie / Physik
  • Sekundarstufe II