Die Suche nach fremden Welten, die womöglich auch intelligentes Leben beherbergen, ist ein Faszinosum. Für die Einführung des Dopplereffekts bietet das aktuelle Forschungsgebiet der spektroskopischen Suche nach extrasolaren Planeten deshalb eine sehr gute Gelegenheit, Schülerinnen und Schüler zu motivieren. Die hier vorgestellte Unterrichtseinheit wurde im Rahmen des Projektes Wissenschaft in die Schulen! erstellt. Der Dopplereffekt ist in vielen Bundesländern Bestandteil der Lehrpläne. In Bayern steht er zum Beispiel im Rahmen der Akustik (Jahrgangsstufe 11) sowie in der Lehrplanalternative Astronomie (Jahrgangsstufe 13) auf dem Programm. In Baden-Württemberg kann er als Phänomen bei elektromagnetischen Wellen behandelt werden.
Der Dopplereffekt und die Entdeckung von Exoplaneten
Unterrichtseinheit
Das physikalische Standardthema Dopplereffekt wird durch den Bezug zu einem spannenden astronomischen Forschungsgebiet „gewürzt“. Neben Freihandexperimenten kommt auch ein Java-Applet zum Einsatz, mit dem man mit Sternen und Planeten "experimentieren" kann.
- Physik / Astronomie
- Sekundarstufe II
- 2 Stunden
- Ablaufplan, Arbeitsblatt, Arbeitsblatt interaktiv, Lernkontrolle
- 1 Arbeitsmaterial
Beschreibung der Unterrichtseinheit
Unterrichtsablauf
Inhalt
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(1) Motivation, Zielorientierung: 5 min
Die Entdeckung von Planeten bei anderen Sternen ist durch Dopplereffekt möglich (Projektionsbild für den Einstieg).
Anlegen bzw. Austeilen einer Tabelle für die Gegenüberstellung von akustischem und optischem Dopplereffekt (Tafel bzw. Arbeitsblatt)
f-t-Diagramm einführen (Tafel bzw. Arbeitsblatt)
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(2) Reaktivierung, Sicherung Ausgangsniveau: 15 min (20 min)
Akustischer Dopplereffekt für die Hin- und Herbewegung einer Tonquelle mit konstanter Geschwindigkeit
Freihandexperiment mit Stimmgabel, die auf Schüler zu und von ihnen weg bewegt wird; Schüler hören höheren und tieferen Ton
Nennen von Alltagserfahrungen zum akustischen Dopplereffekt
qualitative Erklärung des Dopplereffektes mit Unterstützung einer Animation
Zuordnung von Tonhöhe-Bewegungsrichtung, Zuordnung Tonhöhe-Frequenz , Abtragen des (Ton)Frequenzverlaufs über die Zeit in ein f-t-Diagramm
(Tafel bzw. Arbeitsblatt)
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(3) Erarbeitung, Wissenstransfer: 10 min (30 min)
Akustischer Dopplereffekt für die
Kreisbewegung einer Tonquelle
Freihandexperiment mit rotierender Stimmgabel
Folgern vom zweistufigen auf sinusförmigen (Ton)Frequenzverlauf im
f-t-Diagramm (Tafel bzw. Arbeitsblatt)
Freihandexperiment mit rotierender Stimmgabel
Folgern vom zweistufigen auf sinusförmigen (Ton)Frequenzverlauf im f-t-Diagramm (Tafel bzw. Arbeitsblatt)
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(4) Erarbeitung, Wissenstransfer (Analogie): 10 min (40 min)
Optischer Dopplereffekt für die
Kreisbewegung eines Sterns
Entdeckung von Exoplaneten (Projektionsbild zur Doppler-Analogie)
Erkenntnis, dass auch ein Stern eine Umlaufbewegung (um den Schwerpunkt Stern-Planet) ausführt, und das der Beobachter dabei verschiedene Radialgeschwindigkeiten wahrnimmt
(Java-Applet)
Analogieschluss von Tonfrequenz- auf entsprechende Frequenzänderungen der optischen Wellen
Zuordnung Frequenzänderung-Wellenlängenänderung
Analogieschluss auf f-t-Diagramm für Lichtwellen (Tafel bzw. Arbeitsblatt)
Interpretation der Radialgeschwindigkeitskurve (Radialgeschwindigkeits-Zeit-Diagramm) für den Stern 51 Pegasi (Projektionsbild zur Radialgeschwindigkeitskurve)
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(5) Erarbeitung: 5 min (45 min)
Grenzen der Analogie - Vergleich der Bedingungen der Wellenausbreitung:
- Schallwellen benötigen ein Trägermedium, Lichtwellen nicht.
- Beim Licht hängt die Frequenzverschiebung nur von der Relativgeschwindigkeit zwischen Sender und Empfänger ab; beim Schall ist von Bedeutung, ob sich Sender oder Empfänger oder gar das Trägermedium bewegen (evt. Animation)
Didaktisch-methodischer Kommentar
- Unterrichtsverlauf und Materialien
Vorkenntnisse, Hinweise zum Unterrichtsablauf und alle Materialien im Überblick (Grafiken, Applets und Arbeitsblatt)
Unterrichtsmaterial "Exoplaneten" zum Download
- dopplereffekt_exoplaneten_materialien.zip
Alle Offline-Arbeitsmaterialien (Arbeitsblatt, Lösungsvorschläge, Grafik zur Analogie zwischen akustischem und optischem Dopplereffekt) in einem Rutsch
Im Classroom-Manager speichern
Vermittelte Kompetenzen
Die Schülerinnen und Schüler sollen
- Phänomenologisch in das Thema des akustischen Dopplereffekts eingeführt werden.
- ihr erworbenes Wissen durch Analogiebetrachtung auf den optischen Dopplereffekt übertragen.
Internetadressen
- ESA: First extrasolar planets, now extrasolar moons
Die ESA hat sich vorgenommen, auch nach extrasolaren Monden zu suchen. Hintergrundinformationen und Bilder auf der ESA-Website.
- astronews.com: Ein Planet tatsächlich lebensfreundlich?
Das Planetensystem um den roten Zwerg Gliese 581 geriet im Frühjahr 2007 in die Schlagzeilen.
Java-Applets
- Walter Fendt: Beispiel zum Doppler-Effekt
Ein Notarztwagen fährt mit eingeschaltetem Martinshorn an einer Person vorbei, die an der Straße steht.
- Jürgen Giesen: Doppler-Effekt
Allgemeine Infos zum Doppler-Effekt, ein Java-Applet und verschiedene Tonbeispiele.
- Rob Scharein: Extrasolar planets
Hier können Sie mit Stern- und Planetenmassen sowie Radien der Umlaufbahnen experimentieren.
Vertiefung
- Planet Quest
Exoplanet Exploration - eine Website des Jet Propulsion Laboratory am California Institute for Technology
Kurzinformation zum Unterrichtsmaterial
| Thema | Der Dopplereffekt und die Entdeckung von Exoplaneten |
|---|---|
| Autoren | Dr. Olaf Fischer |
| Fach | Physik, Astronomie |
| Zielgruppe | Sek II |
| Zeitraum | 2 Stunden |
| Technische Voraussetzungen | Rechner mit Internetzugang in ausreichender Anzahl oder Präsentationsrechner mit Beamer; Browser mit aktiviertem Javascript; Java Runtime Environment (kostenloser Download) |
| Planung | Der Dopplereffekt und die Entdeckung von Exoplaneten |
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