Unterrichtshilfen

Überblick

Die Astronomie ist eine der ältesten Wissenschaften - seit jeher hat ein Blick an den Nachthimmel die Menschen fasziniert. Auch in den Schulen hat die Astronomie einen festen Platz gefunden, im Land Baden-Württemberg neben Elementen in den Fächern NwT und vor allem IMP hauptsächlich im zweistündigen Wahlfach Astronomie und im dreistündigen Basisfach Physik mit Schwerpunkt Astrophysik. Die vorliegenden Informationen und Materialien fassen die Arbeit der Zentralen Projektgruppe (ZPG) zum Basisfach mit Schwerpunkt Astrophysik zusammen und richten sich an alle Kolleginnen und Kollegen, die gerne astronomische Themen unterrichten wollen: Durch die hierin enthaltenen Informationen zur Thematik und den dargestellten Unterrichtsgang ist dieser Text als Motivation und als Hilfe gedacht: Motivierten „Neulingen“ auf dem spannenden Gebiet der Astronomie soll damit der Einstieg ermöglicht werden und auch „alte Hasen“ finden hier auf den Bildungsplan 2016 zugeschnittenes Material. Im Hintergrundtext befinden sich neben möglichen Tafelanschrieben auch Verweise auf Arbeitsblätter samt Lösungen und Präsentationen.
Das Wahlfach Astronomie folgt einer anderen Struktur und hält die Inhalte möglichst disjunkt: Von „klein“ zu groß, von der Erde und dem Sonnensystem über die Sterne hin zu den großräumigen Strukturen des Universums Die Materialien für das Wahlfach Astronomie sind ebenfalls von der ZPG Astronomie bereitgestellt.
Im Bildungsplan 2016 unterscheidet sich das dreistündige Basisfach Physik mit Schwerpunkt Astrophysik (3.5) deutlich vom Basisfach mit Schwerpunkt Quantenmechanik (3.4). Diese Unterschiede werden nicht erst ab der Quantenmechanik deutlich, sondern von Beginn an (vgl. auch nachstehende Tabelle). Das Ziel der Bildungsplankommission war es, für die zwei zusätzlichen Themenfelder Atom- und Kernphysik und Astrophysik genügend Raum zu schaffen, damit alle Bildungsplan­inhalte in einem realistischen Zeitplan unterrichtet werden können. Begriffe wie Kondensator und Spule und entsprechend auch die Größen Kapazität und Induktivität kommen in diesem Kurs nicht vor. Folgerichtig wurde das Kapitel zu elektromagnetischen Schwing­ungen zugunsten der neuen Themen komplett gestrichen. Dafür wurde das Kapitel Wellen um den für die Astrophysik wichtigen Dopplereffekt und die Gravitationswellen erweitert. Insbesondere der Themenkomplex elektromagnetische Wellen bedarf einer anderen Behandlung, wenn den Schülern der Schwingkreis nicht vertraut ist. Die Materialien der ZPG sind geeignet, um diese Veränderungen des „klassischen Verlaufs“ im Unterricht abzubilden.

Das neue Themenfeld Atom- und Kernphysik wurde eingebaut, um einerseits etwas mehr moderne Physik in den Bildungsplan zu bringen, andererseits aber die physikalischen Grundlagen für die Astrophysik zu legen. Die Astrophysik ist im Bildungsplan in ihrer Reihenfolge ungewohnt und stellt den traditionellen Unterrichtsgang auf den Kopf. Diese Themenreihenfolge ist nicht verbindlich, wurde aber mit der Absicht gewählt, den Kosmos als Laboratorium aufzufassen, auf das man seine Instrumente richten kann. Ausgehend von den Wellen und der Wellenoptik ist es naheliegend, das Weltall nach Spuren elektromagnetischer Wellen, auch abseits des sichtbaren Lichts, zu untersuchen. Arno Penzias und Robert Woodrow Wilson hatten dies zwar nicht beabsichtigt, aber genau auf diesem Wege die kosmische Hintergrundstrahlung entdeckt. So beginnt die Astrophysik in diesem Unterrichtsgang „im ganz Großen“, mit dem Universum, seiner Entwicklung und den darin enthaltenen Galaxien. Erst danach folgen die Sterne als Bestandteile der Galaxien, deren Entwicklung, ihre Planeten und letztlich das Leben, das sich auf diesen entwickeln konnte.

Auf das Basisfach Physik mit Schwerpunkt Astrophysik wird hier so eingegangen, dass man problemfrei den Schwerpunkt auf Astrophysik legen kann und alle Inhalte, die diesen Kurs vom quantenphysikalischen Kurs unterscheiden, abgedeckt sind. Es sind Unterrichtshilfen, kein vollständiger Unterrichtsgang für den gesamten Kurs! Kapitel 3.5.7 (ab S. 13) kann aber so wie hier dargestellt chronologisch behandelt werden.
Viele Kapitel der beiden möglichen Schwerpunkte sind inhaltlich gleich, auf die in diesen Unterrichtshilfen auch nicht eingegangen wird und die noch geeignet eingebaut werden müssen. Die unten folgende Tabelle zeigt einen Vergleich der Schwerpunktthemen.
Die in den folgenden Unterrichtshilfen bereitgestellten Inhalte sind rot hervorgehoben, werden nicht chronologisch, aber alle behandelt, die Nummern stehen bei den Inhalten.

Inhaltsverzeichnis

Überblick - Seite 3

3.5.4 Wellen 6
Dopplereffekt 6
Gravitationswellen 6

3.5.5 Wellenoptik und 3.5.6 Atom- und Kernphysik 9
Struktur der Materie 9
Bohr’sche Frequenzbedingung 9
Linienspektren von Atomen und Molekülen: Die Balmerlinien beim Wasserstoffatom 11
Spektralanalyse 12
Kernfusion 13

3.5.7 Astrophysik 14
Die kosmische Hintergrundstrahlung 14
Hubble-Lemaître-Relation und die Expansion des Universums 15
Kosmologie 17
Galaxien als zusammengesetzte Systeme 20
Dunkle Materie 22
Sternentwicklung 25
Hauptreihenstadium 29
Endstadien der Sterne 32
Extrasolare Planeten 37

 

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