Gravitation, Ortsfaktor und Lichtjahr
Auf der Raumstation ISS schweben die Astronauten durch die Station, obwohl die Erde sie noch immer stark anzieht. Und wenn wir in den Nachthimmel blicken, sehen wir Sterne, deren Licht schon Jahre unterwegs ist. Wie passt das zusammen? Am Ende der Seite kannst du beides erklären.
Das Sonnensystem
Im Zentrum unseres Sonnensystems steht die Sonne, ein Stern, der selbst leuchtet. Um sie kreisen auf fast kreisförmigen Bahnen acht Planeten. Planeten leuchten nicht selbst, sie reflektieren das Sonnenlicht.
Von innen nach außen: Merkur, Venus, Erde, Mars, Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun.
(Die Größen und Abstände sind nicht maßstäblich.)
Man unterscheidet zwei Gruppen:
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Gesteinsplaneten (Merkur, Venus, Erde, Mars): klein, feste Oberfläche, hohe Dichte.
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Gasplaneten (Jupiter, Saturn, Uranus, Neptun): sehr groß, bestehen überwiegend aus Gasen und Flüssigkeiten, geringe Dichte.
Weitere Himmelsobjekte:
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Monde umkreisen einen Planeten (der Erdmond die Erde). Sie leuchten nicht selbst.
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Zwergplaneten (z. B. Pluto) sind kleiner als Planeten und haben ihre Bahn nicht von anderen Objekten freigeräumt.
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Kometen sind nur einige Kilometer große Brocken aus Eis und Staub auf lang gestreckten Bahnen. Nähert sich ein Komet der Sonne, verdampft Material und bildet einen Schweif. Dieser zeigt immer von der Sonne weg, denn Sonnenstrahlung und Teilchenstrom der Sonne blasen das Material fort, egal in welche Richtung der Komet fliegt.
Nenne die acht Planeten unseres Sonnensystems in der Reihenfolge ihres Abstands von der Sonne und ordne sie den Gruppen „Gesteinsplaneten" und „Gasplaneten" zu.
Nenne die acht Planeten unseres Sonnensystems in der Reihenfolge ihres Abstands von der Sonne und ordne sie den Gruppen „Gesteinsplaneten" und „Gasplaneten" zu.
Ein Himmelskörper umkreist die Sonne auf einer lang gestreckten Bahn, hat einen Schweif, der von der Sonne weg zeigt, und ist nur einige Kilometer groß. a) Ordne ihn…
Ein Himmelskörper umkreist die Sonne auf einer lang gestreckten Bahn, hat einen Schweif, der von der Sonne weg zeigt, und ist nur einige Kilometer groß.
- a) Ordne ihn begründet einer Klasse von Himmelsobjekten zu (Planet, Zwergplanet, Komet, Mond).
- b) Erkläre, warum der Schweif immer von der Sonne wegzeigt und nicht in Richtung der Flugbahn.
- c) Vergleiche Planeten und Monde anhand der Merkmale Umlaufbahn und Eigenleuchten.
Gravitation und Ortsfaktor
Alle Körper mit Masse ziehen sich gegenseitig an. Diese Anziehung heißt Gravitation. Sie ist umso stärker, je größer die Massen sind und je kleiner der Abstand ist. Weil die Erde so viel Masse hat, merken wir ihre Anziehung, die Gewichtskraft $F_\mathrm{G}$.
Auf dem Mond ist $g_\mathrm{M} = 1{,}6\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$, weil der Mond viel weniger Masse hat als die Erde.
Der Ortsfaktor auf der Erde beträgt $g = 9{,}81\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$, auf dem Mond $g_\mathrm{M} = 1{,}6\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$. Ein Astronaut hat…
Der Ortsfaktor auf der Erde beträgt $g = 9{,}81\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$, auf dem Mond $g_\mathrm{M} = 1{,}6\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$. Ein Astronaut hat eine Masse von 80 kg.
- a) Berechne seine Gewichtskraft auf der Erde.
- b) Berechne seine Gewichtskraft auf dem Mond.
Ein Gesteinsbrocken hat auf dem Mond eine Gewichtskraft von $8{,}0\,\mathrm{N}$ ($g_\mathrm{M} = 1{,}6\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$). a) Berechne seine Masse. b)…
Ein Gesteinsbrocken hat auf dem Mond eine Gewichtskraft von $8{,}0\,\mathrm{N}$ ($g_\mathrm{M} = 1{,}6\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$).
- a) Berechne seine Masse.
- b) Berechne seine Gewichtskraft auf der Erde ($g = 9{,}81\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$).
- c) Erkläre, warum die Masse auf Mond und Erde gleich ist, die Gewichtskraft aber nicht.
Schwerelosigkeit
Die ISS fliegt in etwa 400 km Höhe. Dort ist der Ortsfaktor mit etwa $8{,}7\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$ nur wenig kleiner als am Boden. Die Gravitationskraft ist also fast so groß wie auf der Erde. Trotzdem schweben die Astronauten.
Der Grund: Die ISS und alles in ihr befinden sich im freien Fall um die Erde. Die ISS fliegt so schnell seitlich, dass sie beim Fallen immer an der Erde „vorbeifällt“. Station und Astronautin fallen gleich schnell, deshalb drückt die Astronautin nicht auf einen Boden und eine Waage würde nichts anzeigen.
Die Internationale Raumstation (ISS) umkreist die Erde in etwa 400 km Höhe. Dort beträgt der Ortsfaktor noch etwa $8{,}7\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$. a) Berechne…
Die Internationale Raumstation (ISS) umkreist die Erde in etwa 400 km Höhe. Dort beträgt der Ortsfaktor noch etwa $8{,}7\,\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}$.
- a) Berechne die Gewichtskraft einer Astronautin mit 65 kg Masse in dieser Höhe.
- b) Die Astronautin schwebt trotzdem in der Station. Erkläre, warum man hier von Schwerelosigkeit spricht, obwohl die Gravitationskraft nicht null ist.
Lichtjahr
Im Weltall sind die Entfernungen so groß, dass Kilometer unhandlich werden. Licht ist das schnellste, was es gibt: $c \approx 300\,000\,\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$.
Mit $v = \frac{s}{t}$ rechnen wir wie bei jeder gleichförmigen Bewegung, nur mit sehr großen Zahlen. Ein Blick in die Ferne ist zugleich ein Blick in die Vergangenheit: Das Licht eines Sterns in 100 Lichtjahren Entfernung ist 100 Jahre alt.
Licht legt in einer Sekunde etwa $300.000\,\mathrm{km}$ zurück. Erkläre, was ein Lichtjahr ist, und gib an, ob es eine Zeit- oder eine Längeneinheit ist.
Licht legt in einer Sekunde etwa $300.000\,\mathrm{km}$ zurück. Erkläre, was ein Lichtjahr ist, und gib an, ob es eine Zeit- oder eine Längeneinheit ist.
Der Stern Proxima Centauri ist etwa 4,2 Lichtjahre entfernt. Ein Lichtjahr entspricht etwa $9{,}46 \cdot 10^{12}\,\mathrm{km}$. a) Berechne die Entfernung in Kilometern.…
Der Stern Proxima Centauri ist etwa 4,2 Lichtjahre entfernt. Ein Lichtjahr entspricht etwa $9{,}46 \cdot 10^{12}\,\mathrm{km}$.
- a) Berechne die Entfernung in Kilometern.
- b) Eine Raumsonde fliegt mit $50\,\frac{\mathrm{km}}{\mathrm{s}}$. Berechne, wie viele Jahre sie bis dorthin brauchen würde (1 Jahr $\approx 3{,}15 \cdot 10^7\,\mathrm{s}$).
Das Sonnenlicht braucht bis zur Erde etwa 8,3 Minuten. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt $c = 3{,}00 \cdot 10^8\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$. a) Berechne den mittleren…
Das Sonnenlicht braucht bis zur Erde etwa 8,3 Minuten. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt $c = 3{,}00 \cdot 10^8\,\frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$.
- a) Berechne den mittleren Abstand Erde–Sonne in Kilometern.
- b) Das Licht des Neptun braucht etwa 4,2 Stunden bis zur Erde (bei mittlerem Abstand). Berechne den Abstand Neptun–Erde und vergleiche ihn mit dem Abstand Erde–Sonne.
- c) Beurteile, warum Astronomen Entfernungen zu Sternen in Lichtjahren statt in Kilometern angeben.
Parallaxe und Spektren
Wie erfährt man etwas über Sterne, die man nie besuchen kann? Zwei Methoden, hier nur qualitativ:
Parallaxe. Halte deinen Daumen ausgestreckt vor dich und schaue abwechselnd mit dem linken und dem rechten Auge: Der Daumen springt vor dem Hintergrund hin und her. Ebenso beobachtet man einen Stern im Abstand von sechs Monaten: Die Erde steht dann auf der gegenüberliegenden Seite ihrer Bahn. Ein naher Stern verschiebt sich vor den weit entfernten Hintergrundsternen deutlich, ein ferner kaum. Aus der Verschiebung lässt sich die Entfernung bestimmen. Bei sehr fernen Sternen ist die Verschiebung zu klein, um sie zu messen. Deshalb gilt die Methode nur für relativ nahe Sterne.
Spektren. Zerlegt man das Licht eines Sterns mit einem Prisma oder Gitter, entsteht ein Spektrum mit dunklen Linien. Jedes Element verschluckt Licht bei ganz bestimmten Farben. Die Linien verraten also, aus welchen Stoffen die äußere Schicht des Sterns besteht, und auch seine Temperatur.
Ein Stern wird im Abstand von sechs Monaten von der Erde aus beobachtet. Dabei verschiebt sich seine scheinbare Position vor den weit entfernten Hintergrundsternen…
Ein Stern wird im Abstand von sechs Monaten von der Erde aus beobachtet. Dabei verschiebt sich seine scheinbare Position vor den weit entfernten Hintergrundsternen leicht (Parallaxe).
- a) Erkläre, wie diese Verschiebung zustande kommt und warum sie für nahe Sterne größer ist als für ferne.
- b) Begründe, weshalb die Parallaxenmethode nur für relativ nahe Sterne funktioniert.
- c) Das Spektrum eines Sterns zeigt dunkle Linien. Erkläre, welche Information man daraus über den Stern gewinnen kann.
Zurück zum Anfang: Die Astronauten der ISS schweben, weil sie mit der Station im freien Fall um die Erde sind. Und das Licht ferner Sterne ist, je nach Entfernung, viele Jahre unterwegs.