Materialien zur Lehrerfortbildung „Botschaften im Sternlicht“
(„Sternhelligkeiten und ihre Bestimmung“)
Akademie Bad Wildbad, Dr. Olaf Fischer, 1./2. Oktober 2008, Lehrgangsnummer 824587
Der Lehrgang offeriert Ideen und Materialien für ein Projekt, das im Rahmen einer Arbeitsgemeinschaft, eines Wahlkurses Astrophysik oder des Unterrichts NwT von Bedeutung sein kann.
Die Ordnung der Helligkeiten war einer der ersten Schritte, die Sterne systematisch
zu betrachten. Die von Hipparch (ca. 190-125 v. Chr.) dem Augenschein nach festgelegte
Helligkeitsskala mit der Einheit Größenklasse findet noch heute Anwendung
in der Astronomie, auch wenn die Helligkeitsangaben heute auf Messungen beruhen.
Sowohl die Ortsveränderung als auch die Entwicklung der Sterne führen
dazu, dass sich die Sternhelligkeiten periodisch oder sporadisch ändern.
Auch die Bewegung von Exoplaneten kann einen kurzfristigen Helligkeitsabfall
des Muttersterns zur Folge haben, wenn der Planet von der Erde aus gesehen einen
Teil der Sternscheibe bedeckt. Der zeitliche Helligkeitsverlauf eines Sterns
(Lichtkurve genannt) enthält so Botschaften über Himmelskörper
in seinem Umfeld oder über ihn selbst.
Das wesentliche Ziel der Fortbildung besteht darin, eine Methode zur Aufzeichnung
von Lichtkurven zu vermitteln, die einerseits für die Forschung geeignet
ist, andererseits aber ohne großen Geräteaufwand gerade auch für
Schüler machbar ist – die Argelandersche Stufenschätzmethode.
Den Fortbildungsteilnehmern werden entsprechende didaktische Materialien nahe
gebracht, die im Rahmen des Projektes Wissenschaft in die Schulen! (WiS!) entwickelt
wurden und im Internet unter
www.wissenschaft-schulen.de
zu finden sind.
Nebenbei bemerkt bietet der Umgang mit den Größenklassenangaben der
Astronomie interessante Verknüpfungen zur Mathematik (arithmetische und
geometrische Reihen, Logarithmus) und zur Biologie (Sinnesorgane).
Komplettübersicht zur Fortbildung Helligkeit [pdf] [2,1 MB]
Workshop / Gruppenpuzzle: Mit den Sinnesorganen messen
Einfache
Versuche zur Sinneswahrnehmung ermöglichen interdisziplinäres Arbeiten
und interessante Selbsterfahrungen der Schüler. Außerdem kann logarithmisches
Verhalten konkret erlebt werden.
In vier Gruppen werden Versuche zur Sinnesempfindung (Tasten, Schmecken, Hören,
Sehen) gemacht.
Die
Beziehung zwischen Reiz und Wahrnehmung gilt es jeweils herzustellen.
Arbeitsblätter-Sinne: Kraftsinn/Tastsinn - Geschmackssinn - Hörsinn - Sehsinn [pdf] [263 KB]
Vortrag: Die astronomische Helligkeitsskala
Die Größenklassenskala der Astronomie beruht auf der speziellen
Art und Weise der Verarbeitung von physikalischen Reizen in den Sinnesorganen.
Diese funktionieren so, dass eine automatische Anpassung ihrer Empfindlichkeit
an den jeweiligen Messbereich stattfindet. Nach einigen allgemeinen und umrahmenden
Bemerkungen zur astronomischen Helligkeitsskala wird im Vortrag aufgezeigt,
wie die Augeneindrücke an die
Messungen
angeschlossen werden, d. h. wie der bekannte Zusammenhang zwischen Helligkeiten
m und Strahlungsströmen S zustande kommt.
Informationstext: Helligkeit-Strahlungsstrom [doc] [20 KB]
Vortrag mit Übung: Die Argelandersche Stufenschätzmethode
Die Argelandersche Stufenschätzmethode ermöglicht die schnelle
Ermittlung der Helligkeit eines Sterns allein mit Hilfe der Augen. Sie beruht
auf dem visuellen Helligkeitsvergleich eines Sterns unbekannter Helligkeit (z.
B. ein Veränderlicher Stern) mit mindestens zwei Sternen bekannter und
konstanter Helligkeit. Die Argelandersche Stufenschätzmethode wird eingeführt
und dann gleich anhand weiterer projizierter Sternfeldbilder in gleicher Front
geübt.
Das Ziel besteht in der beispielhaften Erstellung der Lichtkurve des Veränderlichen
R Cas aus 23 Stufenschätzungen (Zeitraum: ca. 15 Monate). Es soll noch
keine Interpretation des Ergebnisses vorgenommen werden. Die verwendeten Daten
werden im folgenden Workshop durch weitere Daten ergänzt werden.
Einstieg:
Argelander-Einstieg-Teil 1
[pdf] [10,2 MB]
Einstieg:
Argelander-Einstieg-Teil
2
[pdf] [4,1 MB]
Methode:
Die
Argelandersche Stufenschätzmethode
[pdf] [78 KB]
Beispiel:
Die
Argelandersche Stufenschätzmethode
[pdf] [347 KB]
Übung:
Ergebnistabelle für die Stufenschätzung nach Argelander
[pdf]
[20 KB]
Himmelsbeobachtungen mit dem Fernglas: u. a. Veränderliche am
Sternenhimmel
Am 1. Oktober 2008 wird es nach 20.00 Uhr in Bad Wildbad mondlos sein und damit
bestens geeignet, um Sterne aufzufinden und ihre Helligkeit einzuschätzen.
Jupiter sticht als helles Objekt (m=-2,4) im Süden (im Sternbild des
Schützen)
sofort ins Auge. Mit dem Fernglas kann man Uranus (m=5,7) im Wassermann (Höhe
ca. 15°) beobachten. Sein Scheibchen ist mit 4" nur ein Zehntel so
groß, wie das des Jupiter. Andere Fernglasobjekte sind z. B. die Andromedagalaxie,
der Kugelsternhaufen M13 im Herkules, die offenen Sternhaufen h und chi
Persei, der Doppelstern Albireo im Schwan oder der Stern 51 Peg (der vom
ersten entdeckten Exoplaneten, 51 Peg b, umlaufen wird). Mit den Herbststernbildern
sehen wir den markantesten Veränderlichen für das bloße
Auge – den
Teufelsstern im Perseus (Algol). Zu später Stunde steigt dann der Walfisch
über den Horizont und der pulsationsveränderliche Stern Mira könnte
sichtbar werden, wenn er nahe seinem Helligkeitsmaximum ist. In den Sternbildern
Cepheus und Leier finden wir mit bloßem Auge jeweils den Namenspatron
für eine Veränderlichenfamilie
.
(Bild teilweise mit Sky 6 erstellt.)
Arbeitsblatt: Beobachtung [pdf] [435 KB]
Vortrag: Veränderliche Sterne - Auswertung der Lichtkurven
Es wird ein kurzer Überblick über die Erforschung veränderlicher
Sterne gegeben. Im Zentrum des Vortrags steht die Vorstellung der wesentlichen
Typen von Veränderlichen (Ursache der Veränderlichkeit, charakteristische
Lichtkurve).
Workshop: Argelandersche Stufenschätzung (Arbeit in Zweiergruppen)
Die zuvor erlernte Methode soll nun geübt werden. Dazu wird die Datenbasis
des bereits kennen gelernten Veränderlichen Sterns R Cas auf einen Beobachtungszeitraum
von mehr als fünf Jahre erweitert (nun insgesamt 83 Schätzungen).
Ziel ist die Durchführung aller möglichen Schätzungen und die
Korrektur der Daten. Die Fertigstellung der Auswertung und die Erstellung der
Lichtkurve von R Cas können im folgenden Workshop erfolgen.
Schätzfelder
[zip] [5,7 MB]
Tabelle:
Verwendete
Fotoplatten des Sternfeldes
[pdf] [46 KB]
Informationsblatt:
Vergleichssterne
zur Helligkeitsbestimmung von R Cas
[pdf] [45 KB]
Tabelle:
R
Cas – Ergebnisse der Stufenschätzung nach Argelander
[pdf] [118
KB]
Workshop: Fertigstellung/Auswertung der Lichtkurve
Nachdem die Auswertung der Schätzdaten von R Cas abgeschlossen ist, kann
die Lichtkurve erstellt werden. Anschließend erfolgt Interpretation der
Lichtkurve (Kurvenverlauf, Periode, Amplitude, Amplitudenfolge), wobei auch
Bezüge zum Veränderlichentyp hergestellt werden sollen. Zum Abschluss
empfiehlt sich ein Lichtkurvenvergleich zwischen der selbst generierten Kurve
und den Daten, die von Amateurbeobachtern gewonnen wurden (siehe: AAVSO Light
Curve Generator: R Cas 10 .11. 1961 - 13.04.1967),
https://www.aavso.org/.
Informationsblatt: Lichtkurvenvergleich R Cas [pdf] [38 KB]
Vortrag: Das Unterrichtsprojekt „Der Pulsationsveränderliche
R Cas“
Das eigene Tun und Erfolgserlebnisse tragen zur Motivation der Schüler
für die Naturwissenschaften und die Mathematik bei. Es wird ein 12stündiges
Schulprojekt als Einstieg in die Veränderlichenforschung vorgestellt, welches
viel eigenes Tun ermöglicht und Aussicht auf Erfolg verspricht. Das Projekt
bzw. didaktische Materialien dazu können über das Internet abgerufen
werden.
Projektplanung [pdf] [69 KB]
Workshop: Projektplanung
Sternhelligkeiten können zum Teil auch direkt am Himmel geschätzt
werden. Dazu ist es nötig, diese Sterne zu identifizieren, d. h. auffinden
zu können (Umgebungskarte mit Vergleichssternen) und zur richtigen Zeit
zu beobachten. So lohnt die Beobachtung des Bedeckungsveränderlichen Algol
nur im Zeitraum seines Hauptminimums, während dessen er innerhalb einiger
Stunden einen mit dem bloßen Auge sichtbaren Helligkeitsabfall zeigt.
Damit man das Minimum beobachten kann, müssen einige Voraussetzungen erfüllt
sein: Minimumszeit für Algol, möglichst kein Mondlicht, möglichst
günstige Abendzeit, möglichst große Höhe. Es muss geplant
werden.