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Grundlagen Der Astrophysik

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Grundlagen Der Astrophysik STAATSINSTITUT FÜR SCHULQUALITÄT UND BILDUNGSFORSCHUNG MÜNCHEN Grundlagen der Astrophysik Handreichung für den Unterricht der gymnasialen Oberstufe München 2009 Erarbeitet im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Unterricht und Kultus Herausgeber: Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung Anschrift: Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung Abteilung Gymnasium Schellingstr. 155 80797 München Tel.: 089 2170-2160 Fax: 089 2170-2125 Internet: www.isb.bayern.de E-Mail: [email protected] Bilder Umschlagseite: Schülergruppe Max-Planck-Gymnasium, München (Josef Lambert) Krebsnebel, NASA, ESA und Allison Loll/Jeff Hester (Arizona State University) Inhalt Vorwort . 4 Fortsetzung einer Erfolgsgeschichte . 4 Aufbau und Verwendung . 4 Wahl des Fachs Astrophysik . 5 1 Didaktische und methodische Hinweise zu den einzelnen Abschnitten des Lehrplans . 7 Vorbemerkungen . 8 1.1 Orientierung am Himmel . 8 1.2 Überblick über das Sonnensystem . 18 1.3 Die Sonne . 37 1.4 Sterne . 52 1.5 Großstrukturen im Weltall . 96 2 Beobachtung und Geräteausstattung . 115 2.1 Organisation von Beobachtungsabenden . 116 2.2 Beobachtungsobjekte . 119 2.3 Beobachtungsgeräte . 121 2.4 Sonnenbeobachtung . 125 2.5 Astronomie-Fachhandel . 127 2.6 Astronomische Vereine, Sternwarten und Planetarien . 127 3 Ergänzungen . 129 3.1 Anmerkungen zum Lehrplanabschnitt 10.1 (Astronomische Weltbilder) . 130 3.2 Zeittafel zur Astronomie . 132 Literatur und Medien . 135 Vorwort Fortsetzung einer Erfolgsgeschichte Die Astronomie gilt als eine der ältesten Wissenschaften, und bis heute übt sie eine ganz besondere Faszination auf die Menschen aus. Seit jeher fragen die Menschen nach dem „Wesen der Sterne“, und beim Blick in den nächtlichen Himmel wird der Mensch wie von selbst an die Grundfragen seiner Existenz geführt. Seit ihrer Trennung von der Astrologie hat sich die Astronomie von der reinen Beobachtung der Sterne hin zu einer naturwissenschaftlichen Disziplin unter Verwendung physikalischer Prinzipien und Messmethoden entwickelt, sodass die moderne wissenschaftliche Auseinan- dersetzung mit den Sternen durch den Begriff „Astrophysik“ treffend beschrieben wird. Aus diesem Grund trägt die Lehrplanalternative im achtjährigen Gymnasium diesen Namen. Am bayerischen Gymnasium besteht seit nun fast dreißig Jahren die gute Tradition, das na- türliche Interesse an astrophysikalischen Fragestellungen im Rahmen des Kurses Astrono- mie zu wecken, zu fördern und weiterzuführen. An vielen Schulen sind derartige Kurse zur festen Institution geworden, und der Kreis der Lehrkräfte sowie der Schülerinnen und Schü- ler, die sich für die Astrophysik begeistern, wächst ständig. Um diesen Trend auch im achtjährigen Gymnasium fortzuführen und den Einstieg in die Ast- rophysik für Lehrende und Lernende zu erleichtern, wurde auf Basis der ISB-Handreichung „Grundkurs Astronomie“ die vorliegende Handreichung vollständig neu erarbeitet. Sie soll für alle interessierten Lehrkräfte eine verlässliche Begleiterin bei der Vermittlung der Astrophysik als einer modernen, spannenden und lebendigen Wissenschaft werden. Aufbau und Verwendung Die vorliegende Handreichung ist deutlich am Lehrplan orientiert und soll durch Vorschläge und Hinweise Möglichkeiten zu dessen Umsetzung aufzeigen. Sie ist in diesem Sinne ein Grundlagenbuch, aber weder als Unterrichtsskript zu verstehen, das es in allen Details um- zusetzen gilt, noch als Schul- oder Lehrbuch. Ergänzende Literatur findet sich im Literatur- und Medienverzeichnis. Bei den Erläuterungen zu den einzelnen Abschnitten des Lehrplans in Kapitel 1 werden di- daktische und methodische Hinweise gegeben, einzelne Versuche beschrieben und theoreti- sche Ansätze dargelegt, die der Lehrkraft weitere Informationen liefern. Dabei stellt der Pfeil weitere Bezüge her oder verweist auf konkrete Lehrplankapitel. Grau unterlegte Textstel- len enthalten Ergänzungen und Hintergrundinformationen, die vorwiegend für Lehrkräfte ge- dacht sind. Soweit es angebracht ist, wird an entsprechenden Stellen auf Quellen und weiterführende Literatur verwiesen. Kapitel 2 enthält Hinweise zu Organisation und Durchführung von Beobachtungsabenden, eine ausführliche Liste mit Beobachtungsobjekten sowie grundlegende Informationen zu Be- obachtungsgeräten und zur Sonnenbeobachtung. Ferner ist eine Auswahl gängiger Firmen aufgeführt, die Geräte zum Astronomieunterricht anbieten. Die Auswahl berücksichtigt regio- nale Gegebenheiten und beruht auf Erfahrungen von Kolleginnen und Kollegen; sie erhebt keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit. Mit Hilfe der angegebenen Übersicht zu Internetad- ressen, astronomischen Vereinen, Sternwarten und Planetarien lassen sich außerschulische Kontakte zu astronomischen Einrichtungen knüpfen. Diese Einrichtungen helfen in der Regel auch, bei fehlender Schulausstattung Beobachtungsabende durchzuführen. In Kapitel 3 werden zunächst Anmerkungen zu den Lehrplaninhalten „Astronomische Welt- bilder“ sowie „Bewegungen unter Einwirkung der Gravitationskraft; Gravitationsgesetz, Pla- netenbewegung“ der 10. Jahrgangsstufe gegeben. Ferner ist ein Überblick zur Geschichte der Astronomie aufgeführt. Das Verzeichnis zu Literatur und Medien orientiert sich an der Verwendbarkeit im Unterricht bzw. für die Unterrichtsvorbereitung. Der Handreichung liegt eine CD bei, deren Ordnerstruktur nebenstehend abgebildet ist. Sie enthält neben einer Sammlung ausgewählter Aufgaben und Klausuren auch Abituraufgaben zur Astrophysik sowie in geringem Umfang Software und Zusatzmaterial. Im Text wird durch das Symbol CD jeweils darauf hingewiesen. Die Handreichung enthält einige Bilder der NASA / ESA. Diese Bilder sind gemäß den Li- zenzbedingungen der NASA / ESA (siehe http://www.jsc.nasa.gov/policies.html’Guidelines) für Unterrichtszwecke freigegeben und gehören zur Public Domain. Alle weiteren Bilder und graphischen Darstellungen stammen, wenn nicht anders gekenn- zeichnet, von Josef Lambert. Mit Einverständnis der Autoren der ISB-Handreichung „Grundkurs Astronomie“ (ISB Mün- chen, 1988) Rainer Gaitzsch, Franz Mraz, Prof. Dr. Michael Toepell und Roland Reger wur- den die aus der bisherigen Handreichung übernommenen Textstellen nicht eigens als Zitate gekennzeichnet. Besonderer Dank gilt Herrn StD Friedrich W. Volck (Gymnasium Alzenau) für seine hilfrei- chen Hinweise und Ergänzungen. Wahl des Fachs Astrophysik Astrophysik kann in der Jahrgangsstufe 12 des achtjährigen bzw. in der Jahrgangsstufe 13 des neunjährigen Gymnasiums (als Grundkurs Astronomie) alternativ zum regulären Physik- kurs gewählt werden. Die Wahl dieser Alternative schließt die Möglichkeit zum schriftlichen beziehungsweise mündlichen Abitur ein. Die Schülerinnen und Schüler sollten frühzeitig über die Lehrplanalternative Astrophysik in der Jahrgangsstufe 12 informiert werden. Da im Physikunterricht der Jahrgangsstufe 10 die Lehrplanabschnitte 10.1 „Astronomische Weltbilder“ und 10.2, Unterpunkt „Bewegungen un- ter Einwirkung der Gravitationskraft; Gravitationsgesetz, Planetenbewegung“, zu behandeln sind, bieten sich hier die besten Möglichkeiten, Ausblicke auf das Fach Astrophysik zu geben und Interesse für diese faszinierende Disziplin zu wecken. Neben der allgemeinen Information aller Schülerinnen und Schüler sollen insbesondere jene vor der Kurswahl individuell beraten werden, die in der Jahrgangsstufe 11 des achtjährigen Gymnasiums bzw. in der Jahrgangsstufe 12 des neunjährigen Gymnasiums Physik belegen. Ein bebilderter Aushang „Wie komme ich zum Fach Astrophysik?“ in einem Schaukasten der Schule kann hierzu die Grundinformationen enthalten. Motivierend wirkt sich auch ein Artikel über den Astrophysikkurs im Jahresbericht der Schule aus. München, im Dezember 2008 StD Josef Lambert (Max-Planck-Gymnasium, München) OStR Andreas Thalmaier (ISB) 1 Didaktische und methodische Hinweise Stern V838Mon / Quelle: NASA, ESA, Hubble Heritage Team (STScI / AURA) 8 1.1 Orientierung am Himmel Vorbemerkungen Die Inhalte dieses ersten Kapitels sind deutlich am Lehrplan für Astrophysik orientiert. Die im Lehrplan für die jeweiligen Abschnitte angegebenen Stundenrichtwerte geben eine Orientie- rung dafür, wie ausführlich die jeweiligen Inhalte behandelt werden sollen. Darauf aufbauend wird jede Lehrkraft ihre persönlichen Schwerpunkte setzen. Reines Faktenwissen lässt sich, in sinnvolle „Portionen“ aufgeteilt, unter Verwendung des Lehrbuchs oder geeigneter Textkopien häufig von den Schülerinnen und Schülern selbst erarbeiten. Bei der Auswahl von Übungsaufgaben haben der Beispielcharakter und die Un- terstützung der Anschaulichkeit hohe Priorität. Für ihre Bearbeitung sollten die Lehrkräfte bevorzugt auf jene Formen zurückgreifen, die gezielt die Selbständigkeit der Lernenden fördern. Gespräche mit Physik-Lehrkräften haben ergeben, dass ihnen ein aktuell gestalteter Unter- richt in Astrophysik ein ganz besonderes Anliegen ist. Hierzu bieten sich in erster Linie Bei- träge aus Fachzeitschriften und ausgewählte Internetseiten an, aber auch Artikel aus Tages- oder Wochenzeitungen. Erwähnenswert sind in diesem Zusammenhang die Fachzeitschrift „Sterne und Weltraum“, die ergänzend zu einzelnen Artikeln unter www.wissenschaft-schulen.de auch ausgearbeitete Unterrichtsmaterialien zum Down- load bereitstellt. die NASA-Seite http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ auf der jeden Tag ein anderes Bild mit Bezug zur Astronomie einschließlich Begleittext zu finden ist. Im Verlauf einer Woche lässt sich fast immer einer der Beiträge als Stundeneinstieg oder Ergänzung zum Unter- richt zu verwenden. Es hat sich auch bewährt,
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