Expansion des Universums

Expansion of the Universe: The English worksheets for this teaching guide can be found at the end of the page (section: Unterrichtsmaterial). The worksheets provide a well-structured guide through the exercises.

  • Physik, Astronomie
  • Sekundarstufe II
  • 4 Unterrichtsstunden
  • Video, Arbeitsblatt, Didaktik/Methodik, Ablaufplan
  • 4 Arbeitsmaterialien

In dieser Unterrichtseinheit zur Expansion des Weltalls erarbeiten die Schülerinnen und Schüler grundlegende Ansätze zum Verständnis des Urknall-Modells. Dabei geht es in erster Linie um die physikalische Interpretation der Rotverschiebung in den Spektren weit entfernter Galaxien. Die Arbeitsblätter nehmen Bezug auf ein Erklärvideo zum Thema Kosmologie.

BESCHREIBUNG DER UNTERRICHTSEINHEIT

The English worksheets for this teaching guide can be found at the end of the page (section: Unterrichtsmaterial). The worksheets provide a well-structured guide through the exercises.

Die Verschiebung von Spektrallinien in den Spektren von Galaxien wird zunächst als Folge des optischen Dopplereffekts gedeutet, was dem Vorgehen von Edwin Hubble bei seinen Auswertungen im Jahre 1929 entspricht. Die Lernenden stellen mithilfe von 14 Galaxienspektren ein Entfernung-Geschwindigkeit-Diagramm für die Galaxien auf und bestimmen einen Wert der Hubble-Konstante. Anschließend erfahren die Lernenden, dass der Astrophysiker George Lemaître die Rotverschiebung der Spektrallinien mit der Ausdehnung des Raumes erklärte und damit als einer der Ersten das Urknall-Modell postulierte.

Unterrichtsablauf

Inhalt
Sozial-/Aktionsform

Einstieg

Ein kurzer Lehrervortrag leitet die Unterrichtseinheit ein. Dabei geht es um die Frage, inwieweit man aus der Analyse des Lichts weit entfernter Galaxien Aussagen über die Dynamik des Weltalls machen kann.

Lehrervortrag

5 Minuten

Erarbeitungsphase I

Die Lernenden informieren sich mithilfe ihres Physik-Lehrwerks oder des Internets über das physikalische Phänomen des Dopplereffekts. Wesentliche Aspekte werden notiert. (Arbeitsblatt 1: Aufgabe 1)

Einzelarbeit / Partnerarbeit

15 Minuten

Sicherungsphase I

Zentrale Aspekte des Dopplereffekts werden von den Lernenden vorgestellt und diskutiert.

Plenum

5 Minuten

Erarbeitungsphase II

Der Zusammenhang zwischen dem Dopplereffekt und der Verschiebung von Spektrallinien in den Spektren von leuchtenden astronomischen Objekten wird hergestellt. (Arbeitsblatt 1: Aufgabe 2)

Einzelarbeit / Partnerarbeit

10 Minuten

Sicherungsphase II

Die Recherche-Ergebnisse werden von einzelnen Lernenden vorgestellt und diskutiert.

Plenum

5 Minuten

Erarbeitungsphase III

Die Auswertung eines Galaxienspektrums erfolgt als Hausaufgabe. Die Verschiebung der H-alpha Linie im Spektrum in den langwelligen Bereich ist deutlich zu erkennen und wird mithilfe der Dopplerformel zur Geschwindigkeitsbestimmung der Galaxie herangezogen. (Arbeitsblatt 1: Aufgabe 3)

Hausaufgabe

25 Minuten

Sicherungsphase III

Die Hausaufgabe wird vorgestellt und diskutiert.

Plenum

10 Minuten

Erarbeitungsphase IV

Als Einstieg in die Arbeit mit Arbeitsblatt 2 schauen sich die Lernenden das Video „Kosmologie (2012)“ an. (Arbeitsblatt 2: Aufgabe 1) Anschließend werten die Lernenden die Spektren von 14 Galaxien arbeitsteilig aus, übertragen die gesammelten Ergebnisse in ein Tabellenkalkulationsprogramm, berechnen darin mithilfe der Dopplerformel die Geschwindigkeit der Galaxien und stellen diese gegenüber der Entfernung der Objekte in einem Diagramm dar. Aus der Steigung der Regressionsgerade wird ein Wert für die Hubble-Konstante bestimmt. (Arbeitsblatt 2: Aufgabe 2)

Einzelarbeit, Partnerarbeit, Gruppenarbeit, Plenum

50 Minuten

Sicherungsphase IV

Die Ergebnisse der Auswertung (Diagramm und Regressionsgerade) werden im Plenum vorgestellt, gesichert und diskutiert.

Plenum

10 Minuten

Erarbeitungsphase V

Die Lernenden lesen die Einleitung auf Arbeitsblatt 3 und recherchieren anschließend zur Person des Astrophysikers Georges Lemaître. (Arbeitsblatt 3: Aufgabe 1)

Einzelarbeit

10 Minuten

Sicherungsphase V

Einige Ergebnisse der Recherche werden im Plenum vorgestellt.

Plenum

5 Minuten

Erarbeitungsphase VI

Das Hubble-Gesetz wird dazu verwendet, das Alter des Universums abzuschätzen. (Arbeitsblatt 3: Aufgabe 2)

Hausaufgabe

10 Minuten

Sicherungsphase VI

Die Ergebnisse der Hausaufgabe werden im Plenum vorgestellt und diskutiert.

Plenum

10 Minuten

Erarbeitungsphase VII

Die Problematik, dass die Hubble-Konstante bis heute nicht exakt bestimmbar ist und ihr Wert von der angewendeten Bestimmungsmethode abhängt, wird anhand einer Internet-Recherche bewusst gemacht. (Arbeitsblatt 3: Aufgabe 3)

Einzelarbeit / Partnerarbeit

15 Minuten

Sicherungsphase VII

Die Ergebnisse der Recherchen werden vorgestellt, diskutiert und eingeordnet. Einzelne Lernende fassen die Ergebnisse der Unterrichtseinheit rückblickend zusammen. Weitere Gedanken zu Weltmodellen, speziell zum Urknall-Modell, werden von der Lehrperson angerissen (zum Beispiel: kosmische Hintergrundstrahlung) um die Lernenden zu motivieren, die Thematik aus eigenem Interesse zukünftig weiterzuverfolgen.

Plenum

15 Minuten

Didaktisch-methodischer Kommentar

Das Thema „Expansion des Weltalls“ im Unterricht

Die Unterrichtseinheit verbindet Inhalte der Oberstufen-Physik (beispielsweise den Dopplereffekt, die Aufnahme und Interpretation von Spektren sowie die Darstellung und Auswertung von Daten) mit interessanten Fragen der modernen Kosmologie. Dadurch werden Inhalte des Physik-Unterrichts in einen stark motivierenden und anwendungsorientierten Kontext gestellt.

Vorkenntnisse

Im Unterricht sollte die Wellen-Eigenschaft des Lichts bereits behandelt worden sein. Speziell sollten Kenntnisse vorhanden sein, wie man Lichtspektren aufnimmt (Prisma oder optisches Gitter) und auswertet. Kenntnisse zum Dopplereffekt sind nützlich, können aber auch während der Unterrichtseinheit durch Recherche erarbeitet werden.
Einige astronomische Grundkenntnisse sollten ebenfalls vorhanden sein. So ist es hilfreich, wenn die Lernenden wissen, was die Einheit „Lichtjahr“ bedeutet, was eine Spiralgalaxie ist, und wie das Spektrum des Wasserstoff-Atoms aussieht.

Didaktische und methodische Analyse

Die Entdeckung von Edwin Hubble, dass die Rotverschiebung in den Spektren von Galaxien mit deren Entfernung von der Erde korreliert, war für die Entwicklung der modernen Kosmologie außerordentlich bedeutsam und befeuerte die Diskussion über die Beschaffenheit und Dynamik des Universums. Theoretische Folgerungen auf der Basis der Allgemeinen Relativitätstheorie konnten nun auf den experimentellen Prüfstand gestellt werden. Selbst Albert Einstein wurde veranlasst, seine Idee eines statischen Universums und die Einführung seiner kosmologischen Konstante zu überdenken. Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass Edwin Hubble keineswegs die Idee eines expandierenden Weltalls formulierte, sondern lediglich die Verknüpfung von Entfernung und Rotverschiebung feststellte, dies aber mit einer Relativgeschwindigkeit der Objekte zueinander zu erklären versuchte.
Der eigentliche Vater des Urknall-Modells ist aber der belgische Priester und Astrophysiker Georges Lemaître, der die Ergebnisse von Hubble ganz anders interpretierte: Der Raum ist es, der sich kontinuierlich ausdehnt, die Galaxien dabei mitnimmt und so eine scheinbare Bewegung der Objekte bezüglich des Beobachters erzeugt. Die Rotverschiebung entsteht dann dadurch, dass die Lichtwellen praktisch auseinandergezogen werden, wenn der Raum sich auf ihrem Weg zu uns vergrößert hat. Dies nennt man kosmologische Rotverschiebung.
Für ein eingängiges Beispiel, das man auch gut im Unterricht vorführen kann, eignet sich ein Luftballon. Dieser wird ein wenig mit Luft gefüllt, dann werden an verschieden Stellen Punkte (Galaxien) mit einem Filzstift aufgezeichnet. Auch eine „Lichtwelle“ in Form einer aufgemalten engen Sinuskurve sollte nicht fehlen. Wenn man nun den Luftballon langsam aufbläst (der Raum vergrößert sich), erkennen die Lernenden gut, dass sich die Punkte voneinander wegbewegen, obwohl sie ihren Platz nicht verlassen. Außerdem wird die Lichtwelle auseinandergezogen, was besagter kosmologischer Rotverschiebung entspricht.

Die Deutung der Rotverschiebung als Dopplereffekt ist dennoch akzeptabel für nicht zu weit entfernte Galaxien, da der Wert von H0 dann noch als konstant angesehen werden kann. Allerdings muss man sich bei dieser Deutung darüber im Klaren sein, dass man dann der Galaxie eine Geschwindigkeit zu einem Zeitpunkt zuordnet, als das Licht von ihr ausging. Wird die Rotverschiebung der Galaxie hingegen kosmologisch gedeutet, können wir daran ablesen, in welchem Maße sich das Universum seither ausgedehnt hat.
Die Unterrichtseinheit „Die Expansion des Weltalls“ orientiert sich in ihrer Struktur an dem wissenschaftshistorischen Weg: So wird zunächst der Dopplereffekt als nützliches Hilfsmittel zur Messung von Geschwindigkeiten im Weltall behandelt. Die Auswertung von Galaxienspektren führt dann unter Verwendung der Dopplerformel zu einem Entfernung-Geschwindigkeit-Diagramm, so wie es Hubble seinerzeit erstellt hatte. Daraus lässt sich dann das Hubble-Gesetz herleiten und aus der Steigung der Regressionsgerade die Hubble-Konstante bestimmen. Dass die Geschwindigkeit, die aus der Rotverschiebung mithilfe der Dopplerformel gewonnen wurde, eher als scheinbare Bewegung verstanden werden sollte, wird schließlich im dritten Arbeitsblatt thematisiert, wenn die Idee des sich aufblähenden Raumes und das Urknall-Modell zur Sprache kommen.

Für die Erstellung des Hubble-Diagramms stehen die Spektren von 14 Galaxien zur Verfügung. Diese befinden sich in unserer kosmischen Nachbarschaft, also in einem Raumbereich, in dem die Rotverschiebung deutlich unter 10 % (z=0,1) liegt. Dann nämlich darf man davon ausgehen, dass die Hubble-Konstante wirklich eine Konstante ist. Für weiter entfernte Objekte gilt das nicht mehr, da ihr Licht aus einer Zeit stammt, als die Ausdehnungsrate des Weltalls einen anderen Wert hatte als jetzt. Man weiß inzwischen, das die Expansionsgeschwindigkeit sich im Laufe der Jahrmilliarden verändert hat und die Hubble-Konstante daher zeitabhängig ist (also eher ein Hubble-Parameter ist).

Es ist ratsam, dass die Lernenden die 14 Galaxienspektren arbeitsteilig auswerten und ihre Ergebnisse anschließend in einer Tabelle im Plenum eintragen. Die Auswertung erfolgt sinnvollerweise mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms. Achten Sie darauf, dass die Lernenden eine Gerade als Trendkurve wählen, die durch den Ursprung geht. Die Lernenden werden feststellen, dass die Streuung der Punkte um diese Gerade recht groß ist. Dies dient als willkommener Anlass, im Plenum die Gründe zu besprechen. Hier sollte vor allem kurz auf die Problematik der Entfernungsmessung von Galaxien eingegangen werden.

Der Streit um den Wert der Hubble-Konstanten ist übrigens in der Wissenschaft zurzeit in vollem Gange. Erstaunlicherweise haben gänzlich verschiedene und voneinander unabhängige Methoden zu unterschiedlichen Werten für H0 geführt, wobei sich die Fehlergrenzen der Ergebnisse kaum überlappen. Bisher konnte niemand schlüssig erklären, woher diese Unterschiede kommen. Das Thema dieser Unterrichtsreihe streift also ein brandaktuelles Thema der modernen Astrophysik.

Unterrichtsmaterial

Unterrichtsmaterial zum Download

Dieses Arbeitsblatt der Unterrichtseinheit „Die Expansion des Weltalls“ thematisiert den optischen Dopplereffekt und stellt den Zusammenhang zur Verschiebung von Spektrallinien in den Spektren sich bewegender Lichtquellen her.

Mithilfe dieses Arbeitsblatts wird die Rotverschiebung in 14 Galaxienspektren bestimmt und ein Hubble-Diagramm erstellt, aus dem sich die Hubble-Konstante H0 ergibt.

Dieses Dokument enthält Steckbriefe von 14 Galaxien, die sich in unserer näheren kosmischen Nachbarschaft befinden. Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten damit den Arbeitsauftrag 2 auf Arbeitsblatt 2.

Das Arbeitsblatt thematisiert die Idee des Urknall-Modells und liefert eine Abschätzung über das Alter des Universums. Die Problematik der Eingrenzung des Wertes der Hubble-Konstante wird ebenfalls angerissen.

Teaching Guides for Download

Dieses Arbeitsblatt der Unterrichtseinheit „Die Expansion des Weltalls“ thematisiert den optischen Dopplereffekt und stellt den Zusammenhang zur Verschiebung von Spektrallinien in den Spektren sich bewegender Lichtquellen her.

Mithilfe dieses Arbeitsblatts wird die Rotverschiebung in 14 Galaxienspektren bestimmt und ein Hubble-Diagramm erstellt, aus dem sich die Hubble-Konstante H0 ergibt.

Dieses Dokument enthält Steckbriefe von 14 Galaxien, die sich in unserer näheren kosmischen Nachbarschaft befinden. Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten damit den Arbeitsauftrag 2 auf Arbeitsblatt 2.

Das Arbeitsblatt thematisiert die Idee des Urknall-Modells und liefert eine Abschätzung über das Alter des Universums. Die Problematik der Eingrenzung des Wertes der Hubble-Konstante wird ebenfalls angerissen.

Externe Links

Dieser Link öffnet eine Suchmaschine des Strasbourg Astronomical Data Center. Hier lassen sich Galaxiennamen eingeben (zum Beispiel NGC 1357) für detaillierte Informationen.

Unter diesem Link werden zahlreiche Galaxien aufgelistet, deren Spektren für didaktische Zwecke gut geeignet sind. Für die Steckbriefe im Anhang zum Arbeitsblatt 2 wurde diese Liste verwendet.

Vermittelte Kompetenzen

Fachkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • lernen den optischen Dopplereffekt kennen und wenden ihn an, um die Geschwindigkeit astronomischer Objekte zu bestimmen.
  • werten Spektren von Galaxien aus und bestimmen aus einem Diagramm die Hubble-Konstante.
  • lernen die grundlegenden Ideen des Urknall-Modells kennen.


Medienkompetenz

Die Schülerinnen und Schüler

  • recherchieren im Internet und sammeln, sortieren und bewerten Informationen.
  • verwenden ein Tabellenkalkulationsprogramm zur Darstellung und Auswertung von Daten.
  • binden Informationen eines Erklärvideos in ihre Lösungen ein.


Sozialkompeten

Die Schülerinnen und Schüler

  • bearbeiten Aufgaben in Partner- und Gruppenarbeit.
  • tauschen Informationen und Messergebnisse untereinander aus.
  • diskutieren und hinterfragen Lösungen im Plenum.