Physik

Astrophysik: Wie funktioniert das James Webb-Weltraumteleskop – und was lernen wir durch es über das Universum?

Seit 2022 liefert das James Webb-Weltraumteleskop Bilder aus den unendlichen Weiten des Weltraums. Dahinter stecken über 20 Jahre Entwicklungsarbeit von Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen aus aller Welt, einschliesslich einem Schweizer Team angeführt von ETH-Astrophysiker Adrian Glauser, das an einem Verschlussdeckel und Verbindungskabeln für ein Messinstrument im mittleren Infrarotbereich gearbeitet hat. Dank solcher neuen Ideen und Technologien ist das James Webb-Teleskop das fortschrittlichste Weltraumteleskop, das es heute gibt.

Wie funktioniert dieses Teleskop, und warum transportiert man überhaupt Teleskope in den Weltraum? Welche Objekte aus welchen Zeiträumen werden mit diesem Teleskop erforscht, und welche Art von Strahlung wird dazu vom James Webb-Teleskop aufgefangen? Was wissen wir bereits über die kosmischen Objekte, die untersucht werden, und was wollen wir noch herausfinden? Diese Fragen stehen im Mittelpunkt dieses Kurses.

Im Einzelnen werden wir uns mit den folgenden Themenbereichen befassen:

• Wie funktioniert das James Webb-Teleskop?
  
• Worin unterscheidet sich das James Webb-Teleskop von anderen Weltraumteleskopen?
  
• Was versteht man unter infraroter Strahlung?
  
• Welche Objekte im Weltraum strahlen im infraroten Bereich?
  
• Welche Arten von Sternen gibt es – und wie unterscheiden sich ihre Lebensläufe?
  
• Was passiert im Inneren von Sternen?
  
• Wie können wir den Aufbau von Sternen analysieren?
  
• Wodurch unterscheiden sich verschiedene Typen von Galaxien?
  
• Wie haben sich Galaxien entwickelt und wie geht das weiter?
  
• Auf welche Weise können wir die Vergangenheit des Universums untersuchen?
  
• Was sind Planeten und wo kann man diese finden?
  
• Wie entstehen die Planeten und ganze Sternensysteme?
  
• Mit welchen Methoden analysieren wir ferne Planeten und suchen nach Leben?

This course is aimed to offer students a deep insight of the basic concepts of Mechanics, as well as to address common misconceptions. The concept of inertia is the foundation of the course: a good understanding of its meaning and consequences will help students to analyze and distinguish different types of motion.

The present course has been developed by the MINT Learning Center of ETH Zürich, implementing innovative teaching methods that are particularly effective on stimulating students to actively construct knowledge. Students will learn the fundamental concepts of classical mechanics, like, e.g., inertia, force, acceleration, equilibrium of forces, active and reactive forces, the difference between mass and weight. This will become a solid foundation for future study of scientific subjects.

The topics will be introduced through experiments that illustrate situations that can either appear to be obvious but hard to explain why, or which outcome is very surprising. An example of this is shown below. An umbrella is hung on a string that sags slightly horizontally. The string can easily hold the weight of the object (left picture). However, if the string is tightened beforehand, as soon as the umbrella is suspended (right picture) it breaks.

How can you explain this?

The answer arises after analyzing the forces that act on the umbrella. The force exerted by the umbrella on the string (its weight) is the same in both scenarios. However, due to the tightness of the string the lateral forces become extremely large and it breaks. See below the force diagram when the string is completely tense.

Contents:

1. Inertia: Does movement always need a force?
   
2. What is the difference between mass and weight?
   
3. Force and acceleration: Which effect has a constant force?
   
4. Do forces always cause a change of movement?
   
5. What is the difference between an equilibrium of forces and active and reactive forces?

Having access to weather information has become essential in our everyday life. It is not only useful to help us decide which clothes to wear, but crucial when protecting life and property from natural disasters like hurricanes, floods, tornadoes, or wildfires. There are also many activities like air traffic, agriculture, marine transit, etc. that depend on weather forecasts to operate; even the utility companies rely on it to estimate the electricity/gas demand.

But what is there behind those clouds and sun symbols?

In this course we will explore the science behind the different weather systems, discussing the physical processes that drive them. From global circulation patterns to the development of more localized pressure systems that will bring mild or severe weather to a certain location. All along, we will emphasize and challenge our previous knowledge to build suitable explanations for the different weather phenomena.

Are you ready to start? Try answering these questions:

1. The picture below shows the isobars (lines of equal pressure) above two cities. Can you tell in which city is the air above colder?

a) City A

b) City B

c) The air over both cities has the same temperature

2. The map below shows surface pressure in millibars over Switzerland (lines on the map connect points where the pressure is the same). Notice that there are two marked regions, a cold (blue) and a warm one (red). In which region will you expect calm winds?

a) Cold temperatures are associated to fast winds. Thus, winds will be calmer in the warm region.

b) Winds are only driven by the orography of the ground, so it cannot be said in which region will have calm winds.

c) Pressure changes are more gradual in the cold region. Therefore, calm winds will be expected there.

d) The pressure difference between one line and the next one is always the same. Thus, the wind speed will be the equal in both regions.

3. Would the cold front (blue triangles) overtake the warm one (red semicircles)? How are these two pictures related?

4. Below there are two pictures of very different climatic situations. In which of the two do you think the humidity is higher?

Weshalb klingt die Sirene eines Krankenwagens anders, wenn er näherkommt, als wenn er sich entfernt? Wieso ertönt ein Knall, wenn ein Flugzeug mit Überschall-Geschwindigkeit über unsere Köpfe fliegt? Wie funktioniert eine Radarfalle der Polizei? Und wie können wir eigentlich Planeten entdecken, die um andere Sterne kreisen? Die Antwort ist in jedem dieser Fälle die gleiche: der Dopplereffekt.

Im Jahr 1842 präsentierte der österreichische Physiker Christian Doppler die Theorie des Dopplereffekts: Die Frequenz einer Welle verändert sich, wenn der Sender oder Empfänger dieser Welle sich bewegt. Anfangs wurde ihm nicht geglaubt, aber er hatte recht. Den Dopplereffekt gibt es für alle möglichen Arten von Wellen: Schallwellen, Wasserwellen und auch Lichtwellen. Heute ist der Dopplereffekt Kern vieler verschiedener Technologien: Radar im Flugverkehr, Doppler-Sonographie in der Medizin und diverse Anwendungen in der Physik selbst. Wenn wir das Prinzip einmal verstanden haben, können wir mit einfachen Darstellungen wie diesen die anfänglich erwähnten Phänomene erklären:

In dieser Unterrichtseinheit folgen wir der Geschichte der Wissenschaft: Wir beschreiben mit dem Schall Schwingungen und Wellen, leiten daraus ab, wie der Dopplereffekt zustande kommt, und schauen uns an, wie die verschiedenen Anwendungen den Effekt einsetzen.

Eine Beispielaufgabe:
Christoph Buys Ballot führte, drei Jahre nachdem Doppler seinen Effekt vorgestellt hatte, folgendes Experiment durch: Er stellte mehrere Trompeter auf einem fahrenden Zug auf. Eine weitere Gruppe Trompeter postierte er neben der Bahnstrecke. Als der Zug vorbeifuhr, sollten die Musiker neben der Strecke genau den gleichen Ton spielen, den sie von den Musikern auf dem Zug hören konnten. Als der Zug auf die Musiker zufuhr, hörten sie einen Halbton höher, als die Musiker auf dem Zug spielten. Als der Zug sich wieder entfernte, klang der Ton einen Halbton tiefer.

Können Sie den Musikern erklären, weshalb es zu diesem Effekt kam?

Das Ziel dieses Kurses besteht darin, den Schülerinnen und Schülern ausgehend vom Konzept der Trägheit grundlegende Konzepte der Mechanik wie die Konzepte der Kraft, der Masse und des Gewichts, der gleichförmigen und beschleunigten Bewegung, des Kräftegleichgewichts und der Wechselwirkungskräfte zu vermitteln. Gegenüber dem herkömmlichen Physikunterricht zeichnet sich dieser Kurs durch die Umsetzung von Unterrichtsmethoden aus, die die Schülerinnen und Schüler besonders lernwirksam zur aktiven Wissenskonstruktion anregen. Dadurch erwerben die Lernenden ein intelligentes Verständnis der grundlegenden Konzepte der klassischen Mechanik, das in allen naturwissenschaftlichen Fächern als solide Grundlage nützlich ist.

Das Konzept der Trägheit ist in der Mechanik grundlegend. Wer dieses Konzept gut verstanden hat, der kann zum Beispiel die folgende Frage leicht beantworten:

In der Mechanik werden manche Begriffe anders verwendet als im Alltag. Zum Beispiel wird im Alltag das Gewicht von Körpern in Kilogramm angegeben. Hingegen wird in der Mechanik zwischen der Masse von Körpern (nur sie wird in Kilogramm gemessen) und ihrer Gewichtskraft unterschieden. Dieser Unterschied spielt zum Beispiel in der folgenden Situation eine grosse Rolle:

Die Mechanik stellt sehr hilfreiche Werkzeuge zur Verfügung, mit denen wir viele Phänomene erklären können. Hängt man zum Beispiel einen Regenschirm an einer dünnen Schnur auf, so hält die Schnur, wenn sie etwas länger ist und durchhängt (linke Abbildung), aber sie reisst, wenn sie etwas kürzer ist (rechte Abbildung).

Dies lässt sich mithilfe eines Kräfteparallelogramms gut erklären:

In der Situation mit der kürzeren Schnur sind die Kräfte in der Schnur sehr viel grösser als bei der längeren Schnur.

Ein Beispiel aus den Unterrichtsmaterialien:

Sind die Kräfte, die beim Zusammenstoss von zwei Wagen mit unterschiedlichen Massen wirken, unterschiedlich gross?

Wie funktionieren Elektromotoren und Generatoren? Warum ist man in einem Faraday’schen Käfig vor Blitzen geschützt? Wie funktionieren Elektromagnete?  

Was haben elektrische und magnetische Felder gemeinsam – und was unterscheidet sie? Was passiert eigentlich, wenn Strom fliesst? Woher «weiss» der Strom eigentlich, in welche Richtung er fliessen soll? Und wie funktioniert der «Magnetzug»? (Ein Video dazu befindet sich ganz unten.) Diese und weitere Fragen zur Elektrizität werden in diesem Kurs beantwortet.

Ausgehend von einfachen Grundkenntnissen über Magnetismus werden in diesem Kurs schrittweise die physikalischen Konzepte des magnetischen und des elektrischen Feldes entwickelt. Es wird mit vielen Experimenten erkundet, wie sich mit Feldern die räumliche Verteilung von Kräften zwischen elektrischen Ladungen und zwischen magnetischen Polen beschreiben lassen. Die Teilnehmer:innen erhalten eine klare Vorstellung davon, welche Vorteile der physikalische Feldbegriff hat und wie sich damit die Stärke und Richtung von Kräften beschreiben lässt. Dabei wird ausführlich auf die Unterschiede zwischen elektrischen und magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern eingegangen.

In diesem Kurs werden Grundlagen vermittelt, die für das Verständnis vieler technischer Anwendungen erforderlich sind. Dazu zählen zum Beispiel Elektromagnete und Generatoren, der Faraday’sche Käfig und die Wirbelstrombremse bei Zügen. Die Behandlung des Transformators und des Dreiphasenwechselstromes ermöglicht es zu verstehen, wie zuhause aus der Steckdose Strom bezogen werden kann. Diese technischen Anwendungen werden im Kurs an geeigneter Stelle erläutert, so dass die Schülerinnen und Schüler ihre Funktionsweise gut nachvollziehen können.

Ein anschauliches Beispiel für die Anwendung von Elektromagneten, das die Schülerinnen und Schüler im Kurs auch zusammenbauen und anschliessend nach Hause mitnehmen können, ist der so genannte «Magnetzug»:

Aus einer Batterie, zwei Scheibenmagneten und Kupferdraht lässt sich der Magnetzug bauen. Dafür wird der Kupferdraht zu einer langen Spule gewickelt und die Scheibenmagnete werden so auf die Batterie gesetzt, dass sich an den Enden gleichnamige Pole befinden. Die so erweiterte Batterie wird in die Spule geschoben. Die Scheibenmagnete verbinden die Pole der Batterie mit dem leitenden Kupferdraht und der Spulenabschnitt um die Batterie wird zu einem Elektromagneten. Im magnetischen Feld des Elektromagneten erfahren die Scheibenmagnete Kräfte, wodurch sie samt Batterie durch die Spule bewegt werden.

In einem kurzen Film können Sie sehen, wie der Magnetzug durch die Kupferspule flitzt:

Hier geht es zum Video

Beispiele aus dem Unterricht

1. Hinführung zum Konzept des elektrischen Feldes:

Auf die metallische Hohlkugel eines Bandgenerators wird ein kleines Stück Watte gelegt. Beobachte die Bewegung der Watte in Richtung der Metallkugel und zeichne die Flugbahn in die Grafik ein. Die Watte springt nicht einfach seitlich weg. Sie springt manchmal nach oben und manchmal nach unten weg. Hast Du eine Vermutung, woran das liegen könnte?  

3. Elektrische Spannung und elektrisches Potential

Wie kommt es, dass Vögeln nichts passiert, wenn sie auf elektrischen Freileitungen sitzen? Wie kann man dies mit den Begriffen der elektrischen Spannung und des elektrischen Potentials erklären?

Antwort: Die Betriebsspannung der Leitung von beispielsweise 35 kV bezieht sich auf die Spannung, die die Leitung gegenüber der Erde hat und nicht auf die Spannung zwischen den Füssen des Vogels. Das elektrische Potential hat bei beiden Füssen des Vogels einen Wert von ca. 35 kV. Die Potentialdifferenz, sprich elektrische Spannung zwischen den Füssen ist null und deshalb fliesst auch kein Strom durch den Vogel.

4. Hinführung zum Konzept der elektromagnetischen Induktion

Was ist eine Zeitreise? Ist es, wenn wir gemütlich auf dem Sofa sitzen und die Zeit vergehen sehen? Das ist bestimmt eine entspannte Art durch die Zeit zu reisen, aber eine wirkliche Zeitreise ist das nicht.

Was ist für Sie eine Zeitreise?

In dieser Unterrichtseinheit gehen wir der Frage nach, ob Zeitreisen physikalisch möglich sind. Dazu tauchen wir in die Relativitätstheorie von Albert Einstein ein und ergründen seine Ideen. Dabei werden wir mit sehr überraschenden Konsequenzen konfrontiert, wie das folgende Beispiel zeigt:

Drei Raumschiffe fliegen mit hoher konstanter Geschwindigkeit in einer Reihe an Bob vorbei. Alice befindet sich im mittleren Raumschiff und sendet mit Lichtgeschwindigkeit jeweils ein Signal an die beiden anderen Raumschiffe aus, während sie gerade an Bob vorbeifliegt, der das Ganze von einem stationären Punkt aus beobachtet. Aus der Perspektive von Alice erreichen die Signale das hintere und das vordere Raumschiff gleichzeitig, denn die Raumschiffe haben denselben Abstand.

Was beobachtet Bob? Nicht ganz überraschend wird für Bob das hintere Raumschiff das Signal früher erhalten als das vordere, denn das hintere Raumschiff fliegt ja auf das Signal zu.

Wer hat nun aber recht, Alice oder Bob? Oder beide?

Immer wieder werden wir uns der Frage zuwenden, ob Zeitreisen möglich sind und wie man sie realisieren könnte. Auch dazu bietet uns die Relativitätstheorie Antworten.

Als physikalische Grundlage wird der Kurs «Grundkonzepte der Mechanik» vorausgesetzt. Zudem sollten für kleinere Berechnungen die Quadratwurzel und der Satz der Pythagoras bekannt sein.
 

Im Mittelpunkt dieser Unterrichtseinheit stehen die physikalischen Prozesse, die sowohl dem natürlichen als auch dem anthropogenen Treibhauseffekt zugrunde liegen. Auf welche Weise sorgt der Treibhauseffekt dafür, dass auf der Erde Temperaturen herrschen, die Leben ermöglichen, und welche Prozesse führen gegenwärtig zu einer globalen Erwärmung? Welche Rolle spielen die Wolken in der Atmosphäre beim Treibhauseffekt – und welche Zusammenhänge werden in den Medien oft falsch dargestellt? Wie können wir die mittlere Temperatur der Erde berechnen und erklären, wie Albedo und Treibhauseffekt diese Temperatur beeinflussen? Welche Mechanismen liegen natürlichen Klimaschwankungen zugrunde – und wie ist die Erde zum Beispiel aus den Eiszeiten überhaupt wieder herausgekommen? Diese Fragen werden auf der Grundlage der Mechanismen des Wärmetransports beantwortet.

Diese Unterrichtseinheit wurde an der ETH Zürich vom MINT-Lernzentrum in Zusammenarbeit mit dem Departement für Umweltsystemwissenschaften entwickelt.

Das quantenphysikalische Konzept der Superposition ist zentral für das Verständnis der Funktionsweise von Quantencomputern. Es beschreibt die Überlagerung (Superposition) mehrerer Zustände von Quantenobjekten. Der Physiker Ernst Schrödinger hat dieses Konzept mit einem Beispiel erläutert, das unter dem Namen «Schrödingers Katze» berühmt geworden ist. In diesem Beispiel befindet sich eine Katze in einer Überlagerung von zwei Zuständen, nämlich tot und lebendig.

Mit diesem Beispiel wollte Schrödinger veranschaulichen, dass das Konzept der Superposition nur für die Beschreibung von Quantenobjekten geeignet ist und dass sich absurde Konsequenzen ergeben, wenn man es auf makrophysikalische Objekte überträgt. Solche grundlegenden Konzepte der Quantenphysik werden in diesem Kurs ausführlich erläutert und diskutiert.

Der erste Teil befasst sich mit der Frage, welche Eigenschaften des Lichts am besten mit dem Wellen- oder mit dem Teilchenmodell erklärt werden (z.B. Interferenz, photoelektrischer Effekt, etc.). Im zweiten Teil werden verschiedene Atommodelle und die Gründe für die Annahme einer Wellen- und / oder Teilchennatur der Materie diskutiert. Der dritte Teil konzentriert sich auf die quantenphysikalischen Konzepte der Unbestimmtheit, der Superposition und der Verschränkung. Teil vier erläutert, wie diese quantenphysikalischen Eigenschaften zum Bau von Quantencomputern genutzt werden. Diese Unterrichtseinheit enthält viele einfache Experimente, um abstrakte Zusammenhänge zu veranschaulichen. So lässt sich zum Beispiel mit einer Stricknadel und einer CD ein einfaches Gitterspektrometer realisieren.

Diese Unterrichtseinheit wurde an der ETH Zürich vom MINT-Lernzentrum in Zusammenarbeit mit dem Departement für Physik und dem QSIT-Projekt (Quantum Science and Technology) entwickelt.

Die ETH Zürich forscht zu mehreren technischen Ansätzen, Quantencomputer mithilfe von Ionenfallen oder mit supraleitenden Bauteilen zu realisieren. Diese Ansätze werden in diesem Kurs gut verständlich dargestellt. Anschliessend wird erläutert, worin sich Qubits von normalen Bits unterscheiden – und welches Potential in Quantencomputern steckt.

Dieser Kurs beginnt dort, wo der Kurs «Die Grundlagen von Elektrizität und Magnetismus: Vom Stabmagneten zum Elektromotor» aufhört: Wir starten mit Experimenten dazu, wie elektrischer Strom magnetische Felder erzeugt und wie die Überlagerung solcher Felder die Lorentzkraft hervorruft. Auf dieser Grundlage wird zunächst vertieft, wie die Lorentzkraft in Elektromotoren technisch genutzt wird. Anschliessend wird wiederum mithilfe der Lorentzkraft das Prinzip der elektromagnetischen Induktion und die Funktionsweise von Generatoren erklärt. Danach befassen wir uns ausführlich mit elektromagnetischen Wellen, mit denen zum Beispiel Funkgeräte wie unsere Smartphones funktionieren. Was sind und wie entstehen elektromagnetische Wellen? Wer hat sie zuerst vorhergesagt – und wem gelang der erste experimentelle Nachweis?

Dieser Kurs eignet sich für Schülerinnen und Schüler ab den Klassenstufen 8 und 9 – und natürlich besonders gut für alle Schülerinnen und Schüler, die bereits den vorangehenden Kurs zu den Grundlagen von Elektrizität und Magnetismus besucht haben.

In diesem Kurs werden wir zusätzlich zu vielen Experimenten auch mehrere technische Anwendungen selbst basteln, wie zum Beispiel Elektromagnete, Elektromotoren, Generatoren, etc.

In welche Richtung wird sich der Leiter bewegen, wenn Strom durch ihn hindurchfliesst?
 

Wie funktioniert ein Elektromotor?
 

Warum bewegt sich der Aluminiumring, wenn ich den Stabmagneten hin und her bewege?
 

Der aufgehängte Stabmagnet (rechts) wird in Drehung versetzt. Wie verhält sich die Kompassnadel?

Das Erdmagnetfeld: ein Schutzschild für das Leben auf der Erde
 

Heinrich Hertz gelang als erstem der experimentelle Nachweis elektromagnetischer Wellen, die zuvor von James Clerk Maxwell vorhergesagt worden waren.