Thomas Rubitzko
Modellexperimente und Aufgaben zur phänomenologischen Astronomie
Physikalische Lerngegenstände sind dann leicht zugänglich, wenn sie sich in unseren Alltagsbereich durch ein Modell abbilden lassen, das sich in wesentlichen Bereichen analog zum Original verhält [1]. Das gilt beispielsweise für die ohne Instrumente beobachtbare Astronomie unseres Sonnensystems – darunter die Umlaufbahnen, Größenverhältnisse, Mondphasen, Finsternisse oder die zyklisch auftretende, retrograde Bewegung einiger Planeten.
Für die Mittelstufe ist dieser Lernbereich nicht zuletzt wegen seiner einfachen physikalischen Themen geeignet: „Licht und Schatten“ sowie „Bewegungen beschreiben und beobachten“. Mathematisch benötigt man nur die Strahlensätze und den Dreisatz. Wegen des Wechsels von Bezugsystemen sind in diesem Themenbereich aber auch in der Oberstufe noch spannende Einsichten möglich. Mit solchen scheinbar einfachen Naturphänomenen erreichen wir laut der Interessenstudie Physik des IPN [2] zudem eine – für den Physikunterricht – große und vor allem breite Schüler:innenschaft.
Aufgaben für die phänomenologische Astronomie
Ein Unterricht zur phänomenologischen Astronomie sollte neben der Vermittlung von fachlichen Zusammenhängen (s. Kasten 1) auch und gerade die Arbeit mit Modellen und Modellexperimenten beinhalten. Dazu sind hier Aufgaben für Schüler:innen formuliert (s. AB 1 – 5 ) und jeweils mit einem didaktischen Kommentar versehen. Die Aufgaben bauen teilweise aufeinander auf, sind jedoch auch einzeln einsetzbar.
1 | Informationen: Astronomie im inneren Sonnensystem
1 | Informationen: Astronomie im inneren Sonnensystem
Im Folgenden sind die zentralen Daten zu Erde, Sonne, Mond und Mars zusammengestellt (im Überblick auch in Abb. 1
).
Erde und Sonne
Der Durchmesser der Erde von rund 12 800 km ist seit der Antike durch die Bestimmung des Eratosthenes über die Krümmung der Erdoberfläche bekannt (mehr hierzu für die Schule in [5]).
Der Sonnendurchmesser beträgt 1 400 000 km. Der mittlere Abstand der Erde zur Sonne, die in einem Brennpunkt einer Ellipse steht, beträgt heute etwa 149 600 000 km und ist als Astronomische Einheit festgelegt. Die erste brauchbare Messung im 17. Jahrhundert gelang Cassini über die Marsparallaxe. Als Ekliptik wird die Ebene bezeichnet, in der sich die Erde um die Sonne dreht. Der sonnennächste Punkt der Erdbahn (Perihel) beträgt aktuell 147 000 000 km, der sonnenfernste Punkt (Aphel) 152 000 000 km. Von Norden aus betrachtet dreht sich die Erde gegen den Uhrzeigersinn in etwa 365 Tagen um die Sonne.
Mond
Der Durchmesser des Mondes beträgt 3470 km. Sein mittlerer Abstand von der Erde ist 384 000 km und ebenfalls seit der Antike durch die Bestimmung Hipparchs bekannt (mehr hierzu für die Schule in [6]).
Der erdnächste Punkt der Mondbahn beträgt aktuell 363 000 km, der erdfernste 406 000 km. Die Ebene seiner Umlaufbahn ist um etwa 5° gegen die Ekliptik geneigt. Der Mond dreht sich ebenfalls gegen den Uhrzeigersinn in 27,3 Tagen – bezogen auf den Fixsternhimmel (siderische Umlaufzeit) – um die Erde. Dies führt zu den Mondphasen im zyklischen Wechsel von 29,5 Tagen (synodische Umlaufzeit, d. h. wieder die gleiche Stellung gegenüber der Sonne).
Während die nur bei Neumond stattfindenden Sonnenfinsternisse an einem bestimmten Ort der Erde nur sehr selten zu beobachten sind (nächste totale Sonnenfinsternis in Deutschland: 2081), beobachtet man die ausschließlich bei Vollmond stattfindenden totalen Mondfinsternisse im Schnitt weltweit etwas weniger als einmal pro Jahr [7].
Mars
Mars, dessen Durchmesser 6 800 km beträgt, bewegt sich weitgehend in der Ekliptik mit einem mittleren Abstand zur Sonne von 228 000 000 km. Dieser Wert ist ebenfalls seit Cassini durch die…
