Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form. Auszug aus: Vom einfachen Fernrohr zum Weltraum-Teleskop

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1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Vom einfachen Fernrohr zum Weltraum-Teleskop Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 7. Weltraumbeobachtung im Wandel 1 von 34 Vom einfachen Fernrohr zum Weltraum-Teleskop Weltraumbeobachtung im Wandel Thomas Rosenthal, Esslingen Illustration: W. Zettlmeier Der Anblick der Sterne weckt schon seit mehreren Jahrtausenden das Interesse der Menschheit. Galileo Galilei ( ) und Johannes Kepler ( ) 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. 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! Foto: Mit Bauanleitung: Schritt für Schritt zum eigenen Teleskop! Der Beitrag im Überblick Klasse: 8 10 Inhalt: Dauer: 4 6 Stunden + 6 Stunden für Teleskopbau Strahlengang durch eine konvexe und eine konkave Linse Ihr Plus: ü Bauanleitung für ein Teleskop Entwicklung der Weltraumbeobachtung Funktionsweise eines Teleskops Arten und Aufbau verschiedener Teleskope Möglichkeiten der Weltraumbeobachtung mit Teleskopen Bauanleitung für ein Teleskop

3 2 von Weltraumbeobachtung im Wandel Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Motivation Voyager 1 erreicht Schwelle zur Unendlichkeit oder Forscher beobachten Geburt eines riesigen Planeten zwei von zahllosen Schlagzeilen aus Zeitungen und Nachrichtenmagazinen, die zeigen, dass die Astronomie viele Menschen fasziniert. Auch Ihre Schüler haben ein großes Interesse an der Astronomie, das Sie im naturwissenschaftlichen Unterricht aufgreifen sollten. Ihre Schüler haben vielleicht Fragen, die nicht einmal die aktuelle Forschung beantworten kann. Motivierend wird es für sie sein, ein eigenes funktionsfähiges Teleskop zu bauen, um Sonnenlecken am Tag zu beobachten und in der Dunkelheit den Sternenhimmel zu erkunden. Dabei lernen sie die Bedeutung der Himmelsbeobachtung für die Astronomie kennen und können eigene Beobachtungen planen und durchführen. Fachliche Hintergrundinformation Aufbau und Funktion eines Teleskops Ein Teleskop ist eine Kombination verschiedener optischer Elemente, das weit entfernte Objekte dem Auge nahebringt. Die optischen Bestandteile bei einem klassischen Teleskop sind das Objektiv, der Tubus und das Okular. Das Objektiv sammelt die elektromagnetische Strahlung, wie sichtbares Licht, Wärme oder Radiowellen, mit einem optischen System. Dieses System kann aus Linsen oder Spiegeln bestehen. Der Tubus verbindet das Objektiv mit dem Okular. Um die eingefangene Strahlung möglichst störungsfrei weiterzuleiten, ist er von innen schwarz ausgekleidet und rau. Durch die raue Oberläche wird das Streulicht gedämpft. Das Okular hilft dem Auge, in das jeweilige optische System zu blicken. Es besteht aus einer einzelnen Linse oder aus einem Linsensystem. Das Objektiv entwirft von einem weit entfernt beindlichen Beobachtungsobjekt ein reelles oder ein virtuelles Bild, das mit dem Okular betrachtet wird. Sammellinse und Zerstreuungslinse Eine Linse, die in der Mitte dicker ist als am Rand, ist konvex und heißt Sammellinse. Fällt ein paralleles Lichtstrahlenbündel durch sie hindurch, so bildet sich ein konvergentes, also zusammenlaufendes Lichtstrahlenbündel. Der Punkt, an dem sich alle Strahlen schneiden, ist der Brennpunkt F. Dahinter entsteht ein scharfes reelles Abbild der Umgebung, das auf einem weißen Schirm sichtbar gemacht werden kann. Da sich die Lichtstrahlenbündel kreuzen, steht das Bild einer einzelnen Sammellinse auf dem Kopf und ist seitenverkehrt. (Dies kann von Ihren Schülern sehr gut mit einer brennenden Kerze und einem weißen Schirm getestet werden.) Der Abstand von Linse und Brennpunkt ist die Brennweite f. Eine Linse, die in der Mitte dünner ist als am Rand, ist konkav und heißt Zerstreuungslinse. Sie macht aus einem parallelen Lichtstrahlenbündel ein divergentes, also auseinanderlaufendes Lichtstrahlenbündel. Da die Lichtstrahlen gestreut werden, entsteht kein reelles Bild, sondern ein virtuelles Bild hinter der Linse. Der Brennpunkt liegt dort, wo sich die auseinanderlaufenden Strahlen theoretisch kreuzen würden. Da sich die Strahlengänge nicht schneiden, ist das entstandene Bild aufrecht. Man kann dieses virtuelle Bild durch die Linse sehen, aber nicht auf einem Schirm festhalten. Der Abstand von Linse und Brennpunkt ist auch hier die Brennweite f.

4 7. Weltraumbeobachtung im Wandel 3 von 34 Vergrößern Die Vergrößerung V gibt an, um welchen Faktor das betrachtete Objekt vergrößert oder verkleinert wird. Die Vergrößerung errechnet sich aus der Objektivbrennweite, dividiert durch die Okularbrennweite. Hat das Objektiv des Teleskops 1000 mm Brennweite und das Okular 10 mm Brennweite, ergibt sich eine Vergrößerung von 1000 : 10 = 100. Somit erscheint das Objekt durch das Fernrohr 100-mal größer, als es in der Realität ist. Das Linsenteleskop Bei diesem Teleskoptyp sind als optische Bauteile eine Objektiv- und eine Okularlinse an den beiden Enden des Tubus angebracht. Um Bildfehler zu vermeiden, sind Okular und Objektiv häuig als Linsensysteme eingebaut und bestehen somit jeweils aus mehreren Linsen. Richtet man ein Linsenfernrohr auf ein Objekt, so wird das von ihm ausgehende Licht durch das Objektiv eingefangen und durch sein Linsensystem geleitet. Dadurch wird, je nach Linsentyp, ein reelles oder ein virtuelles Zwischenbild erzeugt. Durch das Okularsystem wird das optische Bild betrachtet und weiter vergrößert. Das Kepler-Fernrohr (1611), auch astronomisches Fernrohr genannt, stellt die Objekte seitenverkehrt und auf dem Kopf stehend dar. Neben diesem Fernrohr verwendete man in früherer Zeit auch das Galilei-Fernrohr (1608), bei dem ein aufrechtes Bild geliefert wird. Das Spiegelteleskop Dieser Teleskoptyp besitzt als Objektiv einen Hohlspiegel. Daneben gibt es als optische Bauteile einen oder mehrere Hilfsspiegel und das Okular. Alle Bauteile sind in einen Tubus eingebaut oder sind geöffnet, wenn der Hohlspiegel zu groß wird. Der Physiker Isaac Newton ( ) baute um 1668 den ersten Newton-Spiegel. Dabei beindet sich kurz vor dem Brennpunkt des Hauptspiegels ein ebener Hilfsspiegel, der die Lichtstrahlen aus dem Tubus herauslenkt. Spiegelteleskope eignen sich neben Beobachtungen im Bereich des sichtbaren Lichts auch für die Messung von Ultraviolett- bis Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung). Das Radioteleskop Nachdem Karl Guthe Jansky 1932 feststellte, dass Radiowellen die Erdatmosphäre durchdringen können, wurden die ersten Radioteleskope zur Erforschung des Weltraums gebaut. Radioteleskope sind parabolisch geformte Metalllächen, die einfallende Radiowellen auf einen kleinen Hohlspiegel in deren Mitte relektieren. Dieser Hohlspiegel bündelt die Strahlung auf eine Antenne, von der aus die Daten zur Verarbeitung weitergeleitet werden. Die größten Anlagen bestehen aus mehreren Parabolspiegeln und bündeln die Radiowellen auf eine gemeinsame Antenne. Durch diesen Zusammenschluss mehrerer Antennen wird der Empfängerdurchmesser vergrößert. Die Aulösung kann so 500- mal besser sein als die der Linsen- und Spiegelteleskope. Radioteleskop Effelsberg Max-Planck-Institut für Radioastronomie

5 4 von Weltraumbeobachtung im Wandel 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. Die dritte Erarbeitungsphase indet 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). 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. 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 Sonnenilters zu entwerfen.

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