Gravitation und Satellitenbahnen

Vorbemerkungen:

Klassenstufe:   Klasse 11 Physik

Unterrichtsziele: Die Schüler sollen

• Satellitenbahnen beschreiben und berechnen können

• "Fallbeschleunigung" erläutern und damit rechnen können

• die Bedeutung der Gravitation für Raumfahrt und Erdvermessung erkennen

• Einblick in die intensive Nutzung des erdnahen Weltraums durch Satelliten erhalten

Zeitbedarf:    Je nach Vorbereitung zwei bis drei Unterrichtsstunden  

Einstieg:

Nach der üblichen Einführung des Gravitationsgesetzes im Unterricht dient das Basismaterial der weiteren Motivation der Schüler und Vertiefung des Themas.

• Experimentell können mögliche Satellitenbahnen und ihre Stabilität getestet werden.

• Parallel dazu können die Bahnen realer Satelliten abgerufen werden

• Die anschließenden Berechnungen greifen die gemachten Erfahrungen auf und stellen die benötigten Formeln in einen anwendungsbezogenen Kontext

Inhalte:

Satellitenbahnen:

• Mögliche Satellitenbahnen im Gravitationsfeld der Erde werden mit Hilfe eines Applets von "Physik 2000" von den Schülern ausprobiert. 

• Ein Java-Applet der NASA gibt Einblick in die intensive Nutzung des Weltraums bereits heute. In Echtzeit kann die Position der verschiedensten Satelliten abgerufen und im Zeitraffer auch die Flugbahn verifiziert werden. 

• Satellitenbahnen werden auch berechnet. Vereinfachend verwenden wir zunächst nur den Kraftansatz und beschränken die Rechnung auf Kreisbahnen.  Das Applet ermöglicht aber auch einen experimentellen Zugang zu den anderen möglichen Flugbahnen 

• Aufgaben zur Internationalen Raumstation, zu den polumkreisenden Wettersatelliten, zum geostationären Satelliten METEOSAT 7  runden das Gebiet ab. 

Gravitationsgesetz:

• dient der Wiederholung der Grundlagen und dem Rechnen der entsprechenden Aufgaben

• Mit dem Gravitationsgesetz werden für den Sonderfall homogene Kugel Gravitationskräfte und Fallbeschleunigungen berechnet. 

Form und Schwerefeld der Erde

• Ist fächerübergreifend für Physik, Mathematik und Geographie:

• Dem physikalisch definierten Begriff Geoid werden die mathematischen Idealisierungen Kugel und Rotationsellipsoid gegenübergestellt. 

• Das genaue Vermessen der Flugbahnen von Satelliten liefert Daten zum Gravitationsfeld (Schwerefeld) der Erde. Die zugehörigen Orte gleicher Fallbeschleunigung weichen von der idealisierten Form des Erdkörpers als Rotationsellipsoid unregelmäßig ab. Die farbliche Hervorhebung solcher Abweichungen , realisiert in Bildern und Animationen  des Geoforschungszentrums Potsdam (GFZ), visualisiert Unregelmäßigkeiten im Aufbau des Erdinneren.

Hausaufgabe:
Auswahl an Aufgaben, Bearbeiten der ergänzenden Materialien, 
Ergänzung des Glossars

Entwurf: U. Löffler
Gymnasium Sonthofen