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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Astrophysik – Was ist was?
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Astrophysik – Was ist was? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Astrophysik – Was ist was? kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib die Eigenschaften an, nach denen Himmelskörper unterschieden werden.

    Tipps

    Wir beobachten die meisten Himmelskörper aus großer Entfernung.

    Der Schall ist sehr viel langsamer als das Licht.

    Lösung

    Die wesentlichen Eigenschaften, anhand derer man Himmelskörper unterscheidet, sind:

    • Art des Leuchtens
    • Größe
    • Masse
    Das ist damit zu erklären, dass wir die meisten Himmelskörper aus sehr großer Entfernung beobachten und nur das auf der Erde ankommende Licht eine Auskunft über den beobachteten Planeten geben kann. (Die Masse errechnet man auf Basis der Größe des Planeten und seiner wahrscheinlichen Zusammensetzung).

    Diese Aufteilung der Himmelskörper ist zudem sehr aufschlussreich:

    • Stellen wir fest, dass der Himmelskörper selbst leuchtet, so wissen wir, dass es ein Stern, eine Galaxie oder ein Quasar sein muss.
    • Leuchtet dieser nur indirekt aufgrund der Reflexion des Lichtes eines anderen Sterns, so kann man schließen, dass es je nach Größe ein Asteroid, Komet, Mond oder Planet sein muss.
    Es sind noch weitere Merkmale zur Einteilung denkbar, jedoch haben diese in der Praxis weniger Bedeutung.

    Definitiv nicht geeignet wäre etwa der Schall als Messinstrument, da sich dieser mit einer sehr viel geringeren Geschwindigkeit als das Licht bewegt.

    Würde also ein sehr lauter Ton von einem weit entfernten Himmelskörper ausgesandt, käme dieser erst viele Jahrhunderte oder Jahrtausende später auf der Erde an.

  • Zeige, welche Körper selbstleuchtend sind und welche nicht.

    Tipps

    Am Sternenhimmel sind die selbstleuchtenden Körper als helle Punkte zu erkennen.

    Von der Erde aus gesehen scheint die Sonne heller als der Mond.

    Lösung

    Die wichtigste Unterscheidung der Himmelskörper ist die nach ihrer Leuchteigenschaft. Dabei differenziert man zwischen selbstleuchtenden und nicht selbstleuchtenden Körpern. So, wie du selbst auch unterscheiden kannst zwischen einer Taschenlampe, welche selbst leuchtet und einem angeleuchteten Objekt, welches nur solange leuchtet, wie es im Schein der Lampe ist (= Reflexion).

    Am Sternenhimmel sind die selbstleuchtenden Körper, etwa Galaxien, Quasare, oder (Doppel-)Sterne, als helle Punkte zu erkennen.

    Die nicht selbstleuchtenden Himmelskörper kann man mit dem bloßen Auge nur erkennen, wenn diese nahe an der Erde gelegen sind. Zu diesen zählen zum Beispiel Monde, Planeten wie die Erde und Kometen.

  • Analysiere, was mit dem „sterbenden“ Stern geschieht.

    Tipps

    Ein schwarzes Loch ist sehr schwer.

    Unsere Sonne ist der Maßstab für eine „Sonnenmasse“.

    Lösung

    Ein Stern erlischt, sobald sein Brennstoff verbraucht ist und als Folge dessen im Inneren keine Kernfusion mehr stattfinden kann. Man sagt dann: Der Stern „stirbt".

    Abhängig von der Masse des Sternes kann dieser in drei verschiedene Stadien übergehen:

    1.) Hat der Stern eine Masse von weniger als 1,44 Sonnenmassen, wird er zum weißen Zwerg.

    2.) Hat der Stern zwischen 1,44 und 3 Sonnenmassen, wird dieser zu einem Neutronenstern.

    3.) Sterne, die mehr als 3 Sonnenmassen wiegen, werden zu schwarzen Löchern.

    Unsere Sonne ist dabei der Maßstab für die Sonnenmasse, das heißt:

    $m_{Sonne} = 1 Sonnenmasse $.

    Unsere Sonne wird, wenn sie erlischt, zu einem weißen Zwerg.

  • Erkläre den Grund des Leuchtens.

    Tipps

    Im Kern der Sonne gilt : $ H + H -> He + E_{mdefekt} $.

    Die frei werdende Energie wird in Form von Strahlung (Licht) abgegeben.

    Hoher Druck erzeugt hohe Temperatur.

    Lösung

    Das Leuchten der Himmelskörper ist mit der Kernfusion im Inneren zu erklären. Verdichtet sich eine ausreichend große Wolke kosmischen Staubes, so entsteht in deren Innerem ein sehr hoher Druck und es kommt dort zur Kernfusion.

    Dabei werden leichte Elemente wie etwa Wasserstoff mit gleichnamigen Atomen verschmolzen. Als Ergebnis erhält man Helium und Energie aus dem Massendefekt:

    $ H + H -> He + E_{mdefekt} $ .

    Die frei werdende Energie $ E_{mdefekt} $ wird in Form von Strahlung (Licht) abgegeben.

    Die Strahlung liegt je nach Fusionsprozess in unterschiedlichen Wellenlängen vor. So kann man von der Erde aus Rückschlüsse über die Kernfusion leuchtender Körper ziehen.

  • Analysiere die Massenverhältnisse.

    Tipps

    Galaxien drehen sich meist um schwarze Löcher.

    Die Milchstraße ist eine Galaxie.

    Lösung

    Eine Möglichkeit, die Himmelskörper zu sortieren, ist deren Masse. Dabei sind die selbstleuchtenden generell größer als die nicht selbstleuchtenden.

    Ordnen wir nach der Masse:

    Am schwersten ist die Galaxie, welche ein Zusammenschluss von vielen Sonnensystemen ist. Ein Beispiel ist unsere Milchstraße.

    Innerhalb der Galaxie sind etwa schwarze Löcher (meist als Mittelpunkt) zu finden. Das sind sehr massereiche, zerfallene Sterne. Ebenfalls aus einem Stern entstanden sind die weißen Zwerge. Diese haben noch eine hohe Oberflächentemperatur, jedoch findet hier keine Kernfusion mehr statt und sie sind viel leichter als ein schwarzes Loch.

    Ebenfalls in einer Galaxie enthalten sind Planeten wie die Erde. Das sind Himmelskörper, die um einen Stern laufen und dabei auf einer geräumten Bahn kreisen. Sehr viel leichter noch als Planeten sind die Asteroiden, welche einige $m$ bis $km$ groß sind. Die meisten Asteroiden in unserem Sonnensystem finden sich im Asteroidengürtel zwischen Mars und Jupiter.

  • Erläutere den Nebel.

    Tipps

    Kernfusion ist der Grund für Leuchten.

    Die Kernfusion findet nur an Stellen hohen Druckes (Temperatur) statt.

    Lösung

    Nebel sind gewaltige Ansammlungen von Gas und Staub. Diese bedecken riesige Flächen und können aus selbstleuchtenden und nicht selbstleuchtenden Komponenten bestehen

    Deshalb finden sich in jedem Nebel hellere und dunklere Stellen. Das liegt daran, dass der Nebel an einigen Stellen bereits stark verdichtet und es dort zur Kernfusion kommt, die auch Licht hervorbringt.

    Aufgrund der Anziehung der Massen verdichten sich Nebel mit der Zeit immer stärker und formen ganze Galaxien oder einzelne Sterne.

    So ist auch unsere Galaxie aus einer gewaltigen Wolke aus Gas und Staub entstanden, die sich stellenweise stark verdichtet hat. (Die Milchstraße sieht auch heute noch etwas nebelig aus.) Deshalb kann man nicht genau definieren, wo die Grenze zwischen Nebel und Galaxie liegt.

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