GFS Weltbilder und Entdeckung der Keplerschen Gesetze Marco

GFS Weltbilder und Entdeckung der Keplerschen Gesetze Marco Kümmel, Lukas Jarosch Welfen Gymnasium - Klasse 11 a Physik 12. 04. 2010

Inhalt Weltbilder I. I. II. III. IV. V. II. Johannes Kepler I. III. IV. V. VI. III. Hochkulturen Geozentrisches Weltbild Brahesches Weltbild Heliozentrisches Weltbild Kopernikanische Wende Leben Begriffe 1. Kepler – Gesetz 2. Kepler – Gesetz 3. Kepler – Gesetz Rechnungen zum 3. Kepler Gesetz Quellen

Weltbilder

Hochkulturen Ägypter • entwickelten Grundlage für die heutige Astronomie und Physik Göttin Nut • entwickelten exakten Kalender • Weltbild: 3 Ebenen Normale Welt (s. rechts): Totenreic h Heimische Welt Fremdlände r

Hochkulturen Maya • seit 3400 v. Chr. in Mittelamerika • ebenfalls 3 Ebenen • Weltenbaum: - verknüpft Ebenen - stützt Himmel 3 Kalender für: - rituelle Zwecke - zivile Zwecke - Geschichtsaufzeichungen

Geozentrisches Weltbild • Auch als Ptolemäisches Weltbild bezeichnet • Ursprung im alten Griechenland • Sphären • Erde im Zentrum • Himmelskörper in eigener Sphäre • Physikalisch nicht korrekt • Basierend auf Okkult • Mensch im Mittelpunkt • Alles Schwere strebt zum Mittelpunkt • Planeten und Sonne aus Quintessenz

Geozentrisches Weltbild • Kam ins Schwanken • Retrograde Bewegung • Scheinbare Rückwärtsbewegung • Ptolemäus entwickelt Berechnungsmodel • Kopernikus, Brahe und Kepler • Galt als überholt und nicht korrekt. • Abschaffung im Mittelalter.

Brahesches Weltbild • leicht abgewandelt • Mond und Sonne um die Erde • Planeten um die Sonne Kompromiss zwischen Geozentrischem und Heliozentrischem Weltbild

Heliozentrisches Weltbild • Basis heutiger Wissenschaft • erklärt: - „Rückwärtsbewegung“ v. Planeten: Innerer Planet überholt äußeren -Helligkeitsschwankung v. Planeten: Entfernung ändert sich • mind. seit 600 v. Chr. vertreten

Kopernikanische Wende • Nikolaus Kopernikus (1473 – 1543), Pole • Mathematiker, Astronom, Arzt • Buch über heliozentrisches Weltbild erschien mit Tod Widerstand • Dennoch allmählicher Wechsel der Weltbilder • Dank Kopernikus: - Heliozentrisches Weltbild = Kopernikanisches Weltbild - Wechsel der Weltbilder = Kopernikanische Wende

Johannes Kepler 1571* - 1630†

Leben • * 27. 12. 1571 in Weile • Ältester von sieben • Verlassen von Vater • Erkrankte früh an Blattnern • Sehschwäche • Mutter Katharina weckt Interesse an der Astronomie • Mathematisches Talent • 1589 Theologiestudium in Tübingen • 1599 Einladung von Tycho Brahe • 1601 kaiserlicher Hofmathematiker • 24. 10. 1601 stirbt Brahe • Arbeitete mit Brahes Daten (speziell Mars) • Umlaufbahnen können keine Kreise sein • Ellipsen • 1609 Astronomia Nova • Erstes und zweites Keplergesetz • Große Geldprobleme • Anfang 1630 – Leipzig, Nürnberg und Regensburg • † 1630 in Regensburg

Begriffe Begriff Erklärung Ellipse Gestauchter Kreis mit zwei Brennpunkten Exzentrizität Abweichung zu einer Kreisbahn. Ideale Kreisbahn = 0 Elliptisch < 1 Parabolisch = 1 Hyperbolisch > 1 Perihel Kleinster Abstand zur Sonne (Erde = 147, 1 Mio. km) Aphel Größter Abstand zur Sonne (Erde 152, 1 Mio. km) Fahrstrahl Verbindungslinie zwischen Brennpunkt und Himmelskörper

1. Kepler - Gesetz • Bis dahin Annahme einer Kreisbahn • Dank Marsdaten: kein Kreis sondern Ellipse • x + y = konstant • a = große Halbachse • b = kleine Halbachse • Sonne in einem Brennpunkt • Kepler Gesetze übertragbar, wenn ein Satellit ein Objekt umkreist 1. Kepler – Gesetz Planeten bewegen sich auf Ellipsen, in deren einem Brennpunkt der Zentralkörper (z. B. die Sonne) steht. Bei einer Ellipse sind die beiden Strecken von den Brennpunkten zu einem Punkt auf der Ellipsenbahn konstant.

2. Kepler - Gesetz „In gleichen Zeiten überstreicht der Fahrstrahl gleiche Flächen. “

2. Kepler - Gesetz • Gilt für geschlossene und nicht geschlossene Bahnen • Flächengeschwindigkeit immer konstant • Gleiche Zeit, gleiche Flächen Ein Trabant ist im Perizentrum (nahe dem Zentrum) am schnellsten und am Apozentrum (entfernt vom Zentrum) am langsamsten.

2. Kepler - Gesetz • Fahrstrahl gibt Richtung der Anziehungskraft F an • F zerlegen Ft – tangential, entgegen der Bewegungsrichtung Fn – Normalkraft, Zentripetalkraft

2. Kepler - Gesetz Geschwindigkeit nimmt zu, je näher der Körper dem Zentralkörper kommt. Wie kommt es nun, dass die Zeiten immer gleich sind? Geschwindigkeit nimmt ab, je weiter der Körper zum Zentralkörper weg ist, desto langsamer ist er. Flächen von t 1, t 2 und t 3 sind gleich (hier nur schematisch) t 1 = t 2 = t 3

2. Kepler - Gesetz 2. Kepler – Gesetz In gleichen Zeiten überstreicht der Fahrstrahl gleiche Flächen. Somit ist der Himmelskörper am schnellsten, wenn er dem Zentralobjekt am nächsten ist. Und am langsamsten ist er, wenn er am weitesten entfernt ist.

3. Kepler - Gesetz • Vergleicht bei zwei Planeten das Verhältnis der Umlaufzeiten zu ihren großen Halbachsen • Keplerkonstante gilt für alle Planeten, die sich um das gleiche Zentrum bewegen • Sonnenfernere Planeten längere Umlaufzeiten 3. Kepler – Gesetz Sind genügend Werte gegeben, kann man sich mit Hilfe der Formel die Fehlenden errechnen. T = Umlaufdauer; a = große Halbachse Die Keplerkonstante C gilt für alle Satelliten, die sich um den gleiche Zentralkörper drehen.

Rechnungen zum 3. Kepler Gesetz Merke: Sind T und a eines Himmelskörpers gegeben, so kann man errechnen. C verhält sich wie jedes anderen Himmelskörpers der sich um das gleiche Zentrum dreht! Berechne die Keplerkonstante für die Sonne. Berechne danach die Umlaufzeit des Mars um die Sonne. Gegeben: T 1 = 365, 256 d (Erde); a 1 = 149, 6 Mio. km (Erde); a 2 = 227, 99 Mio. km (Mars) Gesucht: C; T 2 In die Formel der Keplerkonstanten Dann T 2 ausrechnen: fügt man die Werte ein: daraus folgt Zur Kontrolle der offizielle Wert: 686, 98 d

Rechnungen zum 3. Kepler Gesetz Merke: Sind T und a eines Himmelskörpers gegeben, so kann man errechnen. C verhält sich wie jedes anderen Himmelskörpers der sich um das gleiche Zentrum dreht! Berechnet die Keplerkonstante der Erde. Die ISS ist s = 358 km von der Erdoberfläche entfernt und umrundet sie innerhalb von T = 91, 5 min. Der Erddurchmesser beträgt etwa 12734 km. s +Fall Erdradius Gib die Keplerkonstante in der Einheit d 2/km 3 an! (Tipp: a ist in diesem ) Gruppe Fenster: Berechnet mit Hilfe der Erdkonstanten nun die Entfernung des Mondes (zur Erd -oberfläche). Seine Umlaufdauer beträgt T = 27, 32 d. Gruppe Wand: Berechnet mit Hilfe der Erdkonstanten nun die Entfernung eines geostationären Satelliten (zur Erdoberfläche).

Rechnungen zum 3. Kepler Gesetz Merke: Sind T und a eines Himmelskörpers gegeben, so kann man errechnen. C verhält sich wie jedes anderen Himmelskörpers der sich um das gleiche Zentrum dreht! Erdkonstante Gegeben: s. ISS = 358 km; r. Erde = (12734 km)/2; TISS = 91, 5 min Gesucht: CErde Die Formel der Keplerkonstanten ist in diesem Fall: Mit Werten: Nr. : TISS von [min] zu [d]: 91, 5 / 60 / 24 = 0, 0635 d

Rechnungen zum 3. Kepler Gesetz Merke: Sind T und a eines Himmelskörpers gegeben, so kann man errechnen. C verhält sich wie jedes anderen Himmelskörpers der sich um das gleiche Zentrum dreht! Gruppe Fenster Gegeben: T = 27, 32 d; CErde = 1, 326 • 10 -14 d 2/km 3 Gesucht: a. Mond ; s. Mond Da folgt durch Umstellung s. Mond ist daher a. Mond – r. Erde = 383242 km – (12734 km/2) = 376875 km Zur Kontrolle der offizielle Wert: ca. 385000 km (schwankt zwischen 360000 km und 405000 km)

Rechnungen zum 3. Kepler Gesetz Merke: Sind T und a eines Himmelskörpers gegeben, so kann man errechnen. C verhält sich wie jedes anderen Himmelskörpers der sich um das gleiche Zentrum dreht! Gruppe Wand Gegeben: T = 1 d; CErde = 1, 326 • 10 -14 d 2/km 3 Gesucht: a. Geosat ; s. Geosat Da folgt durch Umstellung s. Geosat ist deshalb wieder a. Geosat – r. Erde = 35882 km 42249 km – (12734 km/2) = Zur Kontrolle der offizielle Wert: etwa 35786 km

Danke für‘s zuhören.

Quellen (Übersicht) • Franz Bader, Friedrich Dorn: „Physik 11. Ausgabe A. Gymnasium Sekundarstufe II. “ Schroedel Verlag, Hannover 1996. • Hans Joachim Störig: „Knaurs moderne Astronomie“ Droemersche Verlagsanstalt München/Zürich 1972. • http: //de. wikipedia. org/wiki/Heliozentrisches_Weltbild, 11. 02. 2010 • http: //de. wikipedia. org/wiki/Kepler-Konstante, 13. 02. 2010 • http: //de. wikipedia. org/wiki/Keplersche_Gesetze, 11. 12. 2010 • http: //de. wikipedia. org/wiki/Maya, 10. 02. 2010 • http: //de. wikipedia. org/wiki/Maya-Kalender, 10. 02. 2010 • http: //flake. iguw. tuwien. ac. at/wiki/bin/view/Psp. Gwa 2006/Geozentrisches. Weltbild, 6. 02. 2010 • http: //home. arcor. de/kelim/home. arcor. de/ke/kelim/Das_Land_Kemet/Das_Weltbild/das_weltbild. html, 08. 02. 2010 • http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 11/geschichte/09 epizyklen/weltbildaristoteles. htm, 11. 12. 2010 • http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 11/geschichte/09 heliozentric/heliozentsystem. htm, 11. 12. 2010 • http: //leifi. physik. uni-muenchen. de/web_ph 11/grundwissen/09_keplergesetze/keplergesetze. htm, 11. 12. 2010 • http: //www. astrokramkiste. de/heliozentrisches-weltbild. html, 11. 02. 2010 • http: //www. astronomieverein. de/station/brahe. html, 18. 02. 2010 • http: //www. benben. de/Palenque 5. html, 10. 02. 2010 • http: //www. drfreund. net/astronomy_kepler. htm, 13. 02. 2010 • http: //www. esoturio. com/de/mysterien/maya. php, 10. 02. 2010 • http: //www. forphys. de/Website/mech/kepler 2. html, 15. 02. 2010 • http: //www. gabelsberger-gymnasium. de/Kurse/reli/die_aegyptische_weltvorstellung. htm, 08. 02. 2010 • http: //www. kindernetz. de/infonetz/thema/maya/-/id=22914/nid=22914/did=25714/1 yw 6 v 30/index. html, 10. 02. 2010 • http: //www. manfredholl. de/aegypt 7. htm, 08. 02. 2010 • http: //www. philolex. de/aegypten. htm, 08. 02. 2010 • http: //www. springerlink. com/content/kn 3754/, 15. 02. 2010 • http: //www. springerlink. com/content/u 44420/, 13. 02. 2010 • http: //www. weltuntergang-2012. de/Maya-Kalender-2012. html, 10. 02. 2010 • http: //www. zum. de/Faecher/Materialien/gebhardt/astronomie/kepler. html, 11. 12. 2010 • Grafiken zum 2. Kepler Gesetz – Lukas Jarosch © 2010