Seite 1/2. Wir nehmen am Wettbewerb Jugend forscht in der Technik Auf den Spuren des kleinen Albert teil!

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1 Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit) Seite 1/2 JUFOTech Jugend forscht in der Technik WKO.at/tirol/jufotech DATENBLATT Wir nehmen am Wettbewerb Jugend forscht in der Technik Auf den Spuren des kleinen Albert teil! Titel der Projektarbeit: Sterne, Sternbilder und Mond aus wissenschaftlicher Sicht Fachgebiet: Physik/Chemie Projektbetreuer: Schulklasse: MMag. Rainer Schulze Name: Mooswinkl 48 Klasse 4b Schule: BRG/BORG Schwaz Straße: 6134 Vomp Johannes-Messner-Weg 14 PLZ/Ort: 8. Telefon: Schulstufe: PLZ/Ort: Schwaz Kleingruppe: Weitere Gruppenmitglieder: Projektleiter (Vor-/Nachname) (Vor-/Nachname) Straße (Vor-/Nachname) PLZ/Ort (Vor-/Nachname) (Vor-/Nachname) Telefon (Vor-/Nachname) Schule, Schulstufe (Vor-/Nachname) Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner T DW 1231 und DW 1264 M desiree.stofner@wktirol.at u. marlene.hopfgartner@wktirol.at

2 Datenblatt (dient als Titelblatt für die Projektarbeit) Seite 2/2 WKO.at/tirol/jufotech Kurzfassung unserer Arbeit: In unserer Arbeit untersuchen wir die Entstehung und den Aufbau der Sterne. Zudem haben wir uns verschiedene Sternbilder aus astronomischer Sicht angesehen und von zweien Modelle gebastelt. Außerdem beschäftigen wir uns mit der Frage, ob der Vollmond unser Leben beeinflusst. Dazu haben wir Statistiken anhand einer Befragung erstellt und physikalische Berechnungen durchgeführt. Eine Aktion der Kooperationspartner: Wirtschaftskammer Tirol, Förderverein Technik Tirol Desiree Stofner und Marlene Hopfgartner T DW 1231 und DW 1264 M desiree.stofner@wktirol.at u. marlene.hopfgartner@wktirol.at

3 Sterne, Sternbilder und Mond aus wissenschaftlicher Sicht Inhaltsverzeichnis Einleitung... 1 Entwicklung der Sterne... 2 Aufbau der Sterne... 4 Der Große Wagen... 7 Orion... 8 Wirkung des Mondes... 9 Einfluss des Mondes Nachwort Quellenverzeichnis Einleitung Die Sage des Orion Orion war einst ein großer Jäger. Doch eines Tages packte ihn der Eifer und er nahm sich vor, jedes wilde Tier, das auf der Welt lebte, zu töten. Dies erregte die Aufmerksamkeit der Jagdgöttin Artemis. Sie sandte Orion einen Riesenskorpion, der ihn stach. An den Folgen des Giftes starb der Jäger, doch der Heiler, Asklepios, wollte ihn mit Hilfe seiner Heilkünste wieder zum Leben erwecken. Dies erzürnte jedoch den Zorn des Zeus, welcher oberster Gott und Herrscher des Himmels war. Er tötete Asklepios mit einem Blitzstrahl. Nach ihrem Tod wurden alle in den Himmel versetzt. Noch heute kann man den Jäger Orion, den Skorpion und das Zeichen des Asklepios; eine Schlange, die einen Stab umwickelt; im Himmel sehen. Es gibt viele solcher Sagen, doch wie entstehen Sterne wirklich, wie sind sie aufgebaut und welche Bedeutung haben sie für uns Menschen? Auch der Mond spielt eine große Rolle in unserem Leben, deshalb haben wir uns mit ihm physikalisch näher beschäftigt

4 Entwicklung der Sterne Wir haben viel über Sterne gelernt und da haben wir uns gefragt: Wie entstehen Sterne eigentlich? Deswegen haben wir ein wenig recherchiert und viele interessante Fakten gefunden. Normalerweise ist die Dichte im Weltall viel zu gering, dass sich ein Stern bilden kann. Doch in einigen Gebilden, wie z.b.: dem Orionnebel ist die mittlere Dichte viel höher als normal. Findet eine Explosion statt, verdichtet die Schockwelle dieser die Materie an einem Ort so stark, dass ein Protostern entsteht. Nach etwa Jahren hat der Protostern eine Dichte von 10 bis 100 Milliarden Atomen pro cm3 erreicht. In dieser Zeit absorbiert der umliegende Staub die Wärme des Protosterns, sodass die Temperatur nicht steigt. Der Protostern dehnt sich stark aus und hat eine relativ geringe Masse. Bei einer Dichte von über 100 Milliarden Molekülen pro cm³ kann die Wärme nicht mehr absorbiert werden und die Wasserstoffmoleküle im Stern werden gespalten. Der eigentliche Fusionsprozess beginnt ab einer Temperatur von 10 Millionen Kelvin. Dabei verschmelzen Wasserstoffkerne zu einem Heliumkern. Es werden riesige Mengen von Energie freigesetzt. Sobald die Kernfusion in Gang gekommen ist, bleiben Größe und Temperatur stabil. Wie lange hängt von der Masse des Sterns ab. Wenn der ganze Wasserstoff zu (elium verbrannt ist, kann nicht mehr genügend Hitze erzeugt werden und der Stern kollabiert. Das Sterninnere erhitzt sich wieder und der Stern wird zum Roten Riesen. Dabei steigt die Temperatur über 100 Millionen Kelvin. Somit kann das Helium zu schwereren Elementen, z.b.: Kohlenstoff verbrannt werden. Eisen ist das letzte Element, da größere Atome weniger Energie abgeben, als sie verschlingen. Der Stern dehnt sich immer weiter aus, erhöht die Leuchtkraft und wird schließlich zum Rotem Überriesen. Da die weitere Fusion von Eisen keine weitere Energie mehr bringt, kollabiert der Rote Überriese. Dadurch wird ein letztes Mal sehr viel Energie freigesetzt, so dass die äußeren Schichten des Sterns weggeschleudert werden. Die absolute Helligkeit steigt dabei schlagartig an. Nun gibt es drei Wege, wie ein Stern enden kann: Weißer Zwerg: Solange ein Roter Riese eine Masse von weniger als dem 1,4-fachen der Sonne hat, verliert er seine Außenhülle, ohne dass eine Supernova stattfindet. Zurück bleibt ein Erdgroßer weißer Zwerg mit schwereren Elementen wie Kohlenstoff und Eisen und nur sehr wenig oder keinem Wasserstoff. Durch die restliche Energie kann aber lange eine hohe Oberflächentemperatur aufrechterhalten werden. Schwarzer Zwerg: Auch die Restenergie eines weißen Zwerges geht zuneige. Der Stern kühlt ab und wird zu einem Körper aus kaltem Gas. Ein schwarzer Zwerg entsteht. Diese konnten noch nicht direkt nachgewiesen werden, die Wahrscheinlichkeit ihrer Existenz ist jedoch sehr hoch. Neutronenstern: Wenn ein Stern zwischen 1,4 und 3,2-facher Sonnenmasse liegt, wird er zum Neutronenstern. Da der Druck beim Kollaps des Sterns extrem hoch war, kommen die Atome nicht mehr in ihrer gewöhnlichen Form vor. Es bildet sich reines Neutronengas, deshalb auch der Name - 2 -

5 Neutronenstern. Um den Neutronenstern herum bildet sich eine Stahlkruste. Der Stahl ist jedoch eine Million Mal härter, als normales Eisen auf der Erde. Die Neutronensterne sind anfangs sehr heiß, kühlen jedoch relativ schnell ab und haben eine geringere Leuchtkraft, als ein weißer Zwerg. Schwarzes Loch: Der Stern fällt immer weiter in sich zusammen, bis er eine Grenze passiert hat. Sobald ein Stern diesen unterschritten hat, bildet sich der Ereignishorizont. Alle Ereignisse, die innerhalb dieses Horizontes geschehen, können von der Außenwelt nicht wahrgenommen werden. Genauso verhält es sich auch andersherum. Wenn Licht oder Materie in den Ereignishorizont fliegen können sie das schwarze Loch nie wieder verlassen. abgelenkt. Deshalb sind schwarze Löcher schwarz. Der Stern kollabiert immer weiter und wird zu einem Objekt mit uneidlich großer Dichte auf unendlich kleinen Raum. Die physikalische Theorie von schwarzen Löchern ist noch nicht vollständig erforscht

6 Aufbau der Sterne Die Sonne Mittelpunkt unseres Sonnensystems Aufbau der Sonne: Kern: Dies ist der dichteste und massereichste Teil der Sonne. Druck und Temperatur sind hier so hoch, dass sämtliche Materie in dieser Zone plasmaförmig ist. Hier findet auch die Kernfusion statt (siehe unten). Strahlungszone: Die Strahlungszone transportiert die im Kern freigesetzte Strahlung und Energie nach außen. Dabei wird aber ein vom Kern kommendes Photon von den Teilchen in dieser Zone abgelenkt oder absorbiert, sodass es bis zu 10 Mio. Jahren dauern kann bis ein Photon die Strahlungszone verlässt und seinen Weg zu den äußeren Bereichen der Sonne fortsetzt. Konvektionszone: Nun kommt das Photon in die km breite Konvektionszone, wo die Strahlung durch ströme von heißer Materie weitergegeben wird, die sich erhitzt, aufsteigt, abkühlt und schließlich ins Innere der Sonne zurücksinkt. Photosphäre: Nach der Konvektionszone passieren die Teilchen die Photosphäre, die mit freiem Auge sichtbare Oberfläche der Sonne. Von hier aus entweichen Strahlung und Ströme aus heißer Materie, sogenannte Protuberanzen, ins All. Diese können bis zu 1 Mio. km über die Sonne hinausragen, die meisten Ausbrüche sind allerdings nur km lang. Dabei beschreiben einige von ihnen nach dem Verlassen der Oberfläche unter Einwirkung des Magnets- und Gravitationsfeldes der Sonne einen Bogen und tauchen wieder in die Photosphäre ein. Chromosphäre: Die Chromosphäre ist die fünfte und letzte Schicht der Sonne und gleichzeitig ihre Atmosphäre. Hier ist die Materie schon so weit abgekühlt, dass sie gasförmig ist. Die Dichte beträgt hier nur mehr bis g/m³. Diese Zone hat gegenüber den anderen Zonen eine Besonderheit: Das Licht aus dem Kern wird gefiltert und bestimmte Wellenlängen werden geschluckt. Abhängig von der Zusammensetzung dieser Schicht werden unterschiedliche Wellenlängen geschluckt, was man, wenn man das Lichtspektrum eines Sterns betrachtet, durch dunkle Linien erkennen kann. Diese werden auch Fraunhofer sche Linien bezeichnet

7 Korona: Die Korona besteht aus geladenem Plasma und ist mit einigen Millionen Kelvin deutlich heißer als die unterhalb liegenden Schichten der Sonne. Sie ist der Teil der Sonne, der nur bei einer totalen Sonnenfinsternis sichtbar ist. Hertzsprung-Russell-Diagramm (zur Einordnung der Sterne nach bestimmten Typen) Unsere Sonne gehört zu den Hauptreihensternen, sie ist ein gelber Zwerg. Vergleich: Stern Unsere Sonne Sirius B (Arctur) Leuchtkraft im Vergleich zur Sonne 1 0, Spektralklasse G A K Temperatur [K] Sternenklasse Hauptreihenstern Weißer Zwerg Roter Riese Klasse 3-5 -

8 Kernfusion der Sonne Bei der Kernfusion unserer Sonne werden zwei Wasserstoffatome zu einem Heliumatom fusioniert. Dabei entsteht eine riesige Menge Energie. Das geschieht dadurch, dass die beiden Wasserstoffatome durch den enormen Druck und Hitze in der Sonne prallen die beiden Atome aneinander und fusionieren. Es gibt verschiedene Sterne die Kernfusion betreiben. Umso höher die Masse des Sternes desto schwerere Atome können fusioniert werden. Dabei werden pro Sekunde unglaubliche 370 Quadrillionen Watt an Energie freigesetzt. Strahlung der Sonne Das elektromagnetische Strahlung der Sonne reicht von maximal 500 nm (grünblaues Licht) bis zu Röntgenstrahlen (0,1 nm). Die Atmosphäre absorbiert einen Großteil der Strahlung. Der Mensch sieht in etwa Hälfte der von der Sonne ausgehenden Strahlen. Dieser Teil erreicht bei klaren Wetter und hohem Sonnenstand die Erdoberfläche. Auf dem Weg zum Boden werden die Strahlen von der sog. Rayleigh-Streuung abgelenkt: Die Teilchen in der Atmosphäre leiten die Photonen um. So werden z.b. vermehrt blaue Wellenlängen gestreut, sodass der Himmel blau ist. Infrarotstrahlung wird von der Atmosphäre zu 25 % geschluckt und UV zu 90 %, während sichtbares Licht kaum gestreut wird. Elektromagnetisches Spektrum Unser selbstgebasteltes Projekt Aufbau der Sonne - 6 -

9 Der Große Wagen Als wir bei einer Schulpräsentation davon erfuhren, dass das Sternbild Großer Wagen aus verschiedenen Blickwinkeln anders aussieht, kam uns die Idee, im Rahmen des Wettbewerbs ein Modell anzufertigen, bei dem man den Großen Wagen nicht nur von vorne, sondern auch von der Seite und von oben sieht. Auf verschiedenen Internetseiten suchten wir nach Informationen über die Sterne Alkaid, Mizar, Alioth, Megrez, Phekda, Merak, und Dubhe und wurden schnell fündig. Beim Stern Phekda fanden wir verschiedene Angaben in den Quellen. Im Modell wurde die Quelle verwendet. In einem Maßstab, bei dem 2/3 eines Millimeters ein Lichtjahr entsprechen, markierten wir die Koordinaten der Sterne auf einer Holzplatte, die uns Herr Prof. Schulze zur Verfügung gestellt hatte. Auf Holzstäbchen steckten wir kleine Styroporkügelchen, die wir zuvor mit gelber Farbe angesprüht hatten. Nachdem wir an den markierten Stellen gebohrt hatten, wurden die Holzkugeln mitsamt den Styroporkugeln mithilfe von Heißkleber in die entsprechenden Löcher geklebt. Daraufhin wurde das gesamte Gestell, mit Ausnahme der Styroporkugeln, schwarz angemalt, sodass die Sterne gut sichtbar sind. Schlussendlich wurde ein schwarz angemalter Karton, der das Gestell verdeckt und außerdem oben, unten und auf der Seite ein Guckloch hat, ebenfalls auf der Holzplatte fixiert. Im Karton wurde eine Lichterkette angebracht, die das Innere beleuchtet. Großer Wagen von vorne Großer Wagen von der Seite Großer Wagen von oben - 7 -

10 Orion Unsere Gruppe hat sich mit dem Thema Sternbilder auseinandergesetzt, im Speziellen mit dem Sternbild Orion. Wir haben die Sterne des Orions Heka, Beteigeuze, Bellatrix, Mintaka, Alnilam, Alnitak, Rigel, Saiph auf einem Holzbrett 3-Dimensional nachgebaut, um zu beweisen, dass Sternbilder von einem anderen Blickwinkel anders aussehen. Zuerst bekamen wir von unserem Physiklehrer ein Bild des Orions, sodass wir eine Vorstellung unseres Projektes hatten. In den folgenden Physikbastelstunden beendeten wir unser Modell des Sternenbildes. Wir suchten uns im Internet die Koordinaten des Orions heraus und übertrugen diese auf ein Blatt Papier. Anschließend bekamen wir von unserem Physiklehrer, Herr Prof. Schulze, eine Holzplatte mit den Maßen 600x400 und rechneten die Punkte der Sterne, wo wir auf der Platte ein Loch bohrten, um, sodass wir genau wussten, wie die Sterne positioniert sind. Wir wählten einen Maßstab, wo 1cm in echt 3 Lichtjahren entspricht und wir somit nur alle Angaben mit 3 multiplizieren mussten. Wir markierten die Bohrpunkte auf einem Papier, legten es auf die (olzplatte und bohrten bei den mit X markierten Stellen ein Loch. Dann nahmen wir Holzdübel und 8 unterschiedlich große Styroporkugeln. Die Holzdübel steckten und klebten wir mit Holzleim an unserer Platte fest. Anschließend spitzten wir diese an, damit wir später die Styroporkugeln darauf befestigten konnten. Mit 3 unterschiedlich dicken Pinseln, bemalten wir die Kugeln und die Platte. Die Platte wurde mit einer schwarzen Acrylfarbe übermalt, sodass man sie im Dunkeln kaum sieht. Die Kugeln allerdings wurden mit einer phosphoreszierenden Farbe angemalt, das heißt, dass sie nur leuchten, wenn sie mit Sonnen- oder UV-Licht aufgeladen wurden. Nachdem wir mehrere Schichten dieser Farbe aufgetragen haben, strahlten die Sterne in der Dunkelheit ein gleichmäßiges Licht aus. Diese Farbe kauften wir auf der Seite Nebenbei bauten wir ein 2. Modell des Sternbildes Orion. Dieses zeigte das Sternbild aus einer anderen Ansicht. Das Modell besteht aus einer kleinen Holzplatte, dünne Holzdübel und Holzkugeln. Orion aus der Vorderansicht Orion aus der Seitenansicht Orion aus der Originalansicht Die leuchtenden Sterne im Dunkeln - 8 -

11 Wirkung des Mondes Zum Thema Wirkung des Mondes wollten wir herausfinden, ob sich der Mond statistisch gesehen auf uns Menschen auswirkt und damit auch unsere Schlafqualität beeinflusst. Anhand der verschiedenen Diagramme/Tabellen und der Befragung von 30 Personen haben wir versucht, zu zeigen, ob sich der Mond auf uns Menschen auswirkt. Weil aber die Anzahl der Befragten sehr gering ist, könnten die Ergebnisse ein wenig schwanken. Befragt wurden Personen vor und in Geschäften/Einkaufszentren verschiedener Altersgruppen, verschiedener Sternzeichen und verschiedener Geschlechtern. Folgende Fragen wurden gestellt: Wie haben Sie in den letzten Nächten geschlafen? Schlafen Sie bei Vollmond anders und vermuten Sie, dass dies am Vollmond liegt bzw. vom Vollmond abhängt? (aben Sie beim Schlafen die Fenster geöffnet oder geschlossen, und glauben Sie, dass dies etwas an Ihrer Schlafqualität ändert? Sie an die Kraft des Mondes? Glauben Sie an Horoskope? Bei Neumond schlafen sowohl Abergläubische als auch nicht Abergläubische gut. Sehr interessant sind die Fakten, dass abergläubische Menschen bei Vollmond besser schlafen als nicht Abergläubische und nur rund die Hälfte der Personen, die sich selbst als abergläubisch bezeichnen, wirklich an den Einfluss des Vollmonds glauben. Außerdem schlafen die meisten Menschen bei geschlossenem Fenster besser als bei offenem. Aus diesen Statistiken lässt sich das Fazit ziehen, dass sogar ein geöffnetes Fenster mehr Einfluss auf die Schlafqualität hat als der Mond

12 Einfluss des Mondes Wir berechnen die Einwirkung des Mondes auf einen durchschnittlichen Menschen in Newton (inklusive anderer Beispiele zur Veranschaulichung der Kraft). Das Gravitationsgesetz besagt: Wenn man eine der zwei Massen verdoppelt, verdoppelt sich die Kraft. Außerdem viertelt sich die Kraft, wenn man die Entfernung zwischen den Objekten verdoppelt. 1. Krafteinwirkung Mond - Mensch = Gravitationskonstante (G): 6, Masse eines durchschnittlichen Menschen (m 1): 80 kg Masse des Mondes (m 2): 7, kg Durchschnittliche Entfernung (r): km = m = -6, , F G -0,0026 N 2. Krafteinwirkung Mensch Aufschlag eines Golfballes Masse eines Golfballes m :, g 0,0 kg Zeit des Aufpralles (t): 0,1 s Geschwindigkeit (v): 70 m/s = Beschleunigung (a): 700 m/s² = F, N 3. Krafteinwirkung Mensch Sonne Masse eines durchschnittlichen Menschen (m 1): 80 kg Masse der Sonne (m 2): 1, kg Durchschnittliche Entfernung (r): 149,6 Mio. km = m = -6, , 0 F G - 0,472 N Man sieht, dass der Mond relativ wenig Krafteinfluss auf einen Menschen hat. So ist z.b. die Kraft der Sonne ca. 200-mal stärker als jene des Mondes. Der Golfball übt sogar eine mal so große Kraft aus!

13 Nachwort Nach Beenden unseres gemeinsamen Projektes können wir sagen, dass uns das Arbeiten an diesem Thema sehr viel Spaß gemacht hat. Bei den Recherchen haben wir viele spannende Fakten herausgefunden und es war auch sehr interessant, die Meinung anderer Personen zu erfahren. Besonders viel Freude hat uns das Basteln und Nachbauen der Sternbilder bereitet. Wir sind froh, dass wir an diesem Projekt teilnehmen dürfen und hoffen auch euch überzeugen zu können. Quellenverzeichnis Wikipedia MGF-Gymnasium Kulmbach Marcos Astroseite