H4; doelstellingen

Hoofdstuk 4.1: Hoe is het heelal gebouwd? Gedachten streepjes:  Nauwkeurige waarnemingen van de sterren waren belangrijk voor de mensen in de oudheid, omdat de mensen hieraan konden zien wanneer (bijv.) de Nijl in Egypte weer zou overstromen, of wanneer het regenseizoen zou beginnen.  Er zijn 2 wereldbeelden, het 1e wereldbeeld heeft lang stand kunnen houden door de Kerk. De kern van dit wereldbeeld is de aarde in het midden en de zon met de overige planeten draaien om de aarde heen. In het 2e wereldbeeld is de zon het midden (en dus de kern) en vervolgens draaien de planeten (inclusief de aarde) om de zon heen.  Eratostenes toonde aan dat de aarde rond was doordat hij in Alexandrië een schaduw zag ontstaan, terwijl 800 km verderop, in Syene, dit niet gebeurde. Daar stond de zon namelijk recht boven het aardoppervlak. Hier was dus geen schaduw.  Eratostenes liet zijn gelijk zien met de volgende berekening: De zon staat zo ver weg dat de stralen van de zon bijna geheel loodrecht (en dus evenwijdig) op het aardoppervlak terechtkomen. Uit de lengte van de schaduwen in Alexandrië kon hij afleiden dat de zonnestralen op dat zelfde moment een hoek van 7o verticaal maakten. Dat is +/- 1/50e deel van 360o . De afstand Syene – Alexandrië was 800 km. Dit was dus 1/50e deel van de omtrek van de aarde. De omtrek is dus: 800 x 50 = 40000 km.  Er ontstaat een schijnbare beweging wanneer je denkt dat een voorwerp beweegt, terwijl je zelf beweegt.  De schijnbare beweging van de zon (maan en sterren) is dat de zon niet van oost naar west draait, maar de aarde van west naar oost.  Sterrenbeelden (vanuit de oudheid) zijn ontstaan doordat mensen dachten dat sterren met groepjes bij elkaar stonden (dit lijkt op het eerste gezicht ook zo). Met hun fantasie maakten ze allerlei figuren van die groepjes sterren. Deze werden sterrenbeelden genoemd.  Het lijkt alsof de Poolster als enige ster stilstaat. Dit komt doordat de poolster ongeveer boven de rotatie as van de aarde staat.  Zogenaamde schijngestalten van de maan ontstaan doordat de maan rond de aarde draait, terwijl de aarde ook weer rond draait.  Het zonnestelsel is de voorstelling van de banen die de planeten draaien rond de zon. De negen planeten draaien in een ellips – vormige beweging rond de zon.  In de oudheid hielden vooral de Grieken zich bezig met sterrenkunde. Vooral in de streek rond Athene (Griekenland) tot Alexandrië (Egypte) hield men zich bezig met de observatie van het heelal.  In het wereldbeeld van Ptolemaeus is als volgt: de aarde staat centraal, daaromheen draaien de zon en de overige planeten. Deze draaien in volmaakte cirkels rond de aarde.  In het wereldbeeld van Copernicus staat de zon centraal. De planeten, inclusief de aarde, draaien (ook) als volmaakte cirkels rond de zon.  Het wereldbeeld van Ptolemaeus hield zolang stand doordat dit ook in de Bijbel stond beschreven. Volgens de kerk was het schrijven van een boek over een ander wereldbeeld pure Ketterij.  Vanaf de 16e eeuw werd het wereldbeeld van Copernicus meer geaccepteerd doordat men langzaam begon in te zien dat in dit wereldbeeld toch een grotere kern van waarheid zat.  Galileo was in staat door te bewijzen dat Copernicus gelijk had doordat hij als eerste beschikte over een instrument waarmee je meer kon waarnemen van de hemel dan het blote oog. (Dit was een variant op de verrekijker die in Holland was uitgevonden)  Sommigen bleven in die tijd toch aanhanger van het beeld van Ptolemaeus, want zij weten de bewijzen van het gelijk van Copernicus aan eventuele fouten in de lens. (in deze tijd kon men nog niet zo precies lenzen slijpen als nu).  Het gelijk werd weergegeven door in het boek dialoog van Galileo veel meer argumenten die klopten stonden dan argumenten van de Kerk.  Dit zijn de belangrijkste bijdragen van Galileo aan de Natuurwetenschappen: (1) Hij legde het fundament van de mechanica, een belangrijk onderdeel van de natuurkunde; (2) Hij breidde het instrumentarium van de sterrenkundige uit met de kijker; (3) Hij was in staat met de kerk een gevecht te voeren over de interpretatie van natuurwetenschappelijke waarnemingen en theorieën. Hoofdstuk 4.2: Een nieuwe wetenschap wordt volwassen. Gedachten streepjes:  Een methode van deductie is: vanuit algemeen geldige stellingen een conclusie trekken over bijzonder situaties. (bijv: 1-alle vogels hebben vleugels, 2-alle duiven zijn vogels. Dus de conclusie luidt: alle duiven hebben vleugels).  Redeneren vanuit het bijzondere naar het algemene heet inductie. Bijv. Voor de middeleeuwer stond het wereldbeeld van ptolemaois vast. Van daaruit kon je conclusies trekken over bewegingen van de maan (deductie). Daarentegen redeneerden Copernicus, Kepler en Galilei precies andersom. Op grond van waarnemingen van de beweging van de planeten stelden zij een nieuw wereldbeeld samen. Inductie.  Je kunt natuurwetenschappen bewijzen door middel van aantonen dat iets zonder twijfel waar is. Een natuurkundige wet is nooit helemaal te bewijzen. Bijv. Jij doet een experiment naar de kleuren van zwanen. Je trekt de conclusie ‘Alle zwanen zijn wit’. Wanneer iemand het tegendeel aan kan tonen en dan is je conclusie ‘vals’, vervolgens moet je opnieuw beginnen.  Het bewijzen van een natuurwetenschappelijke wet gaat op bovenstaande manier.  Zo ziet een onderzoeksplan uit voor een vraag volgens de wetenschappelijke methode: - Verzamel informatie van gegevens. (zonder vooroordelen) - Stel een hypothese op. (hier zoek je verbanden en verklaringen tussen de gegevens) - Test de hypothese door een experiment. (Als de hypothese juist blijkt te zijn krijgt het de status van een wetenschappelijke wet en wordt vervolgens toegevoegd aan de ware, wetenschappelijke kennis) (- als de hypothese onjuist blijk te zijn, begin dan weer opnieuw.)  Het belangrijkste werk van Christiaan Huygens: Allereerst was het een wetenschappelijk persoon die zich aan Isaac Newton kon spiegelen. Later in zijn leefperiode ging hij met zijn broer Constantijn lenze slijpen voor verbetering van de telescopen. Deze lenzen waren de beste die in die tijd te krijgen waren.  Isaac Newton was op school een fantast en hield van mechanische spelletjes en knutselen. Na zijn schooltijd ging hij studeren aan de universiteit van Cambridge. Toen leerde hij de wiskunde en natuurwetenschap kennen. Dit boeide hem zo dat hij na een tijdje alle grote problemen van de natuurwetenschap opgelost had (o.a. theorieën over kleuren van het licht en de wiskundige beschrijving van beweging van voorwerpen op aarde. Toen hij 25 was werd hij hoogleraar in Cambridge. Hij had allerlei ideeën, maar hij twijfelde om er een boek over te schrijven ( zie Copernicus). Later werd hij lid van de Royal Society Club. Deze club publiceerde in 1662 zijn werk alsnog in een tijdschrift. Een tijd later werd Newton tot directeur van de Engelse munt benoemd. Ook hier deed hij enig zinvol werk (hij zag in welke relatie er bestond tussen de goederenvoorraad en de hoeveelheid geld ie in omloop was). Isaac Newton stierf op 85-jarige leeftijd.  Het werk van Newton werd zo snel populair omdat hij de meeste wetenschappelijke wetten uitlegde in een reeks boeken, deze werden vertaalt door Voltaire in ‘makkelijke’ taal, hierdoor konden niet alleen wetenschappers dit boek lezen.  Regels die nodig zijn bij de beoefening van Natuurfilosofie: - Bij de bestudering van natuurverschijnselen gaan we alleen uit van ware oorzaken. Je neemt niet meer oorzaken als verklaring dan nodig zijn. - Je moet dezelfde soort verschijnselen met dezelfde soort oorzaken verklaren - Eigenschappen van voorwerpen, waarmee men kan experimenteren, moet men beschouwen als universele eigenschappen van al deze voorwerpen. - In de experimentele natuurfilosofie moet men de wetten die door inductie uit verschijnselen gevonden zijn of als exact waar, of als bijna exact waar beschouwen, tenminste zolang er geen tegenbewijs wordt gevonden. Is dat wel het geval, dan moet men deze wetten nauwkeuriger formuleren of als een bijzonder geval van een nieuwe wet zien. (voor meer info over deze regels  zie boek blz. 270-271)  Een betere kijk op objecten in het heelal is gevormd door de spiegeltelescoop.  William Herschel begon met het maken van spiegeltelescopen. Hij ontdekte hierdoor veel meer objecten aan de hemel als zijn voorgangers.  William Herschel toonde aan dat de gravitatiewet van Newton ook buiten ons zonnestelsel werkzaam is, doordat hij 850 dubbelsterren aan de hemel ontdekte.  Zo kun je via een experiment aantonen dat er warmtestraling ontstaat: Je laat zonlicht door een prisma vallen, waardoor het licht gescheiden wordt. Je plaatst drie thermometers in het licht. Je neemt waar dat de thermometers de hoogste temperatuur aangeven vlak voorbij het rode deel van het zichtbare deel van het spectrum. Deze vorm van licht heet daarom Infrarood licht. >> Het document met de informatie over het parallax hoek berekenen is op de club beschikbaar vanaf 05-10-2000 (+/- 16.00 uur) <<
Hoofdstuk 4.3: Een moderne kijk op het heelal. Leerdoelen:  De beperkingen van telescopen op aarde zijn: (1) Je kunt een telescoop niet onbeperkt groter blijven maken, door de zwaartekracht van de aarde, (2) Al het licht dat op de telescoop valt moet eerst de atmosfeer van de aarde passeren, hier worden ook nog enkele kleuren geabsorbeerd.  Een kunstmaan (ofwel satelliet), is een voorwerp dat in een baan rond de aarde ‘meedraait’.  Enkele toepassingen van satellieten: - wetenschappelijk onderzoek van het zonnestelsel; - zorgen voor communicatieverbindingen over de hele wereld; - navigatie van vliegtuigen en schepen.  In de periode 1959 – 1971, was ruimteonderzoek zeer belangrijk. De Russen (communisten) en Amerikanen stonden tegenover elkaar, vanwege de koude oorlog. De onderzoeken die gericht waren op de maan, omgeving van de zon en later ook de ander planeten was belangrijk, omdat beiden partijen als eerste een kolonie in de ruimte wilden vestigen.  Ruimteonderzoek richtte zich toen vooral op de maan, de omgeving van de zon en de planeten: Mercurius, Venus en Mars.  Ons zonnestelsel bestaat uit de zon (een ster van gemiddelde grootte), de planeten Mercurius, Venus, Aarde, Mars, Jupiter, Saturnus, Uranus, Neptunus en Pluto. Deze planeten hebben op hun beurt weer 1 of meer manen. Ook komen er kometen, planetoïden en meteoroïden in voor.  De fotosfeer is de buitenste (dus de zichtbare) laag van de zon. De fotosfeer vertoont ook zonnevlekken. Een zonnevlek bestaat doorgaans uit een centraal donker gebied (umbra), omgeven door een iets lichter gestreepte band (perumbra). Een zonnevlek is niets anders dan een deuk in het zonsoppervlak. Het oppervlak van een zonnevlek ligt enkele honderden km lager dan het oppervlak van de rest van de zon.  De zonne-energie ontstaat diep in de kern van de zon. Daar bedraagt de temperatuur ongeveer 15 miljoen graden en de druk is 340 miljard keer zo groot als die op aarde op zeeniveau. De druk en temperatuur zijn beide zo hoog dat er kernreacties op gang komen. Tijdens deze kernreactie worden vier waterstofkernen samengevoegd tot een heliumkern. De heliumkern is ongeveer 0.7% lichter dan vier losse waterstofkernen samen. Het verschil in massa wordt omgezet in energie, die naar het oppervlak van de zon wordt getransporteerd door stroming. Aan het zonsoppervlak komt de energie vrij in de vorm van licht en warmte (het duurt ongeveer 1 miljoen jaar voordat de zonne-energie het oppervlak van de zon bereikt).  Wanneer de waterstof (de brandstof van de zon!) opraakt begint de zon met de fusie van helium tot andere, zwaardere, elementen. In een periode van een paar miljoen jaar zwelt de zon op en wordt de aarde steeds warmer. Alles wat hier op aarde leeft zal dan waarschijnlijk uitsterven en uiteindelijk wordt de zon zo groot dat ze de aarde omsluit. Na een bestaan van een miljard jaar als rode reus, zal ze plotseling in elkaar zakken tot een witte dwerg.  Mercurius is zo genoemd, omdat de planeet veel sneller langs de hemel lijkt te bewegen dan de andere planeten. Ze is daarom vernoemd naar de bode van de goden uit de Romeinse mythologie. Venus is altijd al morgenster, of avondster genoemd, omdat deze vlak voor zonsopgang te zien is in het oosten, of vlak na zonsondergang in het westen. De naam Venus komt van de Romeinse godin van de liefde en schoonheid.  Voor gegevens over de planeten kijk in Tabel 31 (blz. 57) van je BINAS.  Het maanoppervlak bestaat uit 2 soorten terreinen: een relatief helder hoogland, en donkere vlaktes. Het maanoppervlak bestaat vrijwel geheel uit kraters, die elkaar hier en daar overlappen.  We zien steeds dezelfde kant van de maan, omdat de maan er even lang over doet om rondom de aarde te draaien als om haar eigen as te wentelen (27 dagen, 7 uur en 43 minuten).  Men heeft altijd gedacht dat er leven op mars zou kunnen zijn, of in ieder geval is geweest, omdat een steenklomp die op de zuidpool is gevonden aantoonde dat er leven in het heelal was. Deze steenklomp was afkomstig van Mars en daarom dacht men dat er 3.6 miljard jaar geleden leven op Mars zou zijn geweest.  Een planetoïdengordel bestaat uit kleine planeetjes(planetoïden), die alle in een baan met dezelfde straal om de zon draaien.  - Een bijzondere eigenschap van Jupiter is dat deze is gehuld in wolkenbanden en de planeet heeft (net als Saturnus) een ringenstelsel. – Een bijzondere eigenschap van Saturnus is dat deze geen vast oppervlak heeft, maar wel een rotsachtige kern. (voor zover bekend heeft Satunus 18 manen). – Uranus heeft als bijzondere eigenschap dat deze blauw-groen is, dit komt doordat in de atmosfeer van Uranus veel methaan zit. De bouw van Uranus lijkt op die van Saturnus en Jupiter. – De bijzonder eigenschap van Neptunus is dat deze ook blauw oogt, door de aanwezigheid van Methaan in de atmosfeer. > Hun gezamenlijke kenmerk is dat het gasachtige planeten zijn <  Een aantal planeten (denk aan pluto) zijn pas zeer recent ontdenkt, omdat deze planeten nauwelijks waren waar te nemen met de telescopen hier op aarden. Pas toen in de 19e / 20e men in staat was betere telescopen te ontwikkelen kon men deze planeten waarnemen.  Het melkwegstelsel is een ‘band’waarin miljarden sterren dicht bij elkaar staan. De zon is een van die sterren die met al haar planeten en bijbehorende manen rond de kern van het melkwegstelsel draait. In het heelal zijn meerder melkwegstelsels te vinden.  De middellijn van het melkwegstelsel staat is ongeveer 100.000 lichtjaar, de breedte is ongeveer 20.000 lichtjaar en de zon staat op een afstand van 32.000 lichtjaar van de kern.  1 lichtjaar is 1 jaar reizen op lichtsnelheid. De lichtsnelheid is 2,99792458*108 m/s (tabel 7, BINAS). Dus in een jaar reis je 2,99792458*108 x 60 (sec per uur) x 60 (min in een uur) x 24 (uur op een dag) x 365,25 (aantal dagen in een jaar) = 9,460730473*1012 Km.  Onopgeloste vragen in de sterrenkunde: - Wat was er voordat de tijd begon? – bestaat er iets buiten de grenzen van het heelal? – Kun je terug in de tijd?  De kosmologie bestudeert het heelal in zijn totaliteit: niet alleen de geschiedenis, maar ook alles wat er allemaal in het heelal aanwezig is. De kosmologie probeert een antwoordt te vinden op een paar van de meest elementaire vragen over de werkelijkheid waarin we leven.  De oerknal theorie: Volgens deze theorie heeft het heelal een begin en is ontstaan tijdens een gigantische explosie. Alles was geconcentreerd in één punt. Alles betekent ook letterlijk alles, alle materie, straling e.d. die we nu waarnemen. De temperatuur was oneindig hoog. Het heelal zette heel snel uit, de inhoud werd in alle richtingen weggeslingerd over steeds grotere afstanden (denk aan een explosie).  De wet van Hubble. De uitdijing van ons heelal ziet er vanaf elk punt hetzelfde uit, kijk maar naar bron 23 (handboek, blz. 292). De formule hiervoor is v = H x d. v = de snelheid van het melkwegstelsel, d = de afstand tot ons, H is een constante (constante van Hubble)  Men neemt aan dan het heelal oorspronkelijk een soort ‘soep’ was bestaande uit Quarks. Er waren nog geen atoomkernen. Nog niet eens de bouwstenen ervan. Toen het heelal begon af te koelen, werden de protonen en neutronen gevormd. Het eerste element was waterstof, omdat een proton de kern van dit element is. In de eerste fase na de oerknal werden ook helium en lithium gevormd. Andere elementen, van beryllium tot uranium werden pas miljarden jaren later binnenin sterren gevormd.  We kijken terug in de tijd, als we door een telescoop kijken, immers het licht heeft ook een snelheid. We zien namelijk de maan op het moment dat het zijn licht uitzond. Dat is 1 seconde geleden. Zo zien we ook de Andromenda nevel, 2 miljoen jaar terug in de tijd.  We kunnen niet helemaal terugkijken naar het begin van de oerknal, omdat toen het licht nog was opgesloten. Het licht botste steeds maar weer tegen materie. Na een tijd kon alle licht ontsnappen, zoals een lichtflits kort na een explosie. De oerknaltheorie zegt dat het licht van deze flits van alle kanten op ons af komt. Ze dicht kunnen we bij de oerknal komen. Het is onze kosmische horizon: we kunnen er niet doorheen of erachter kijken.  De flits is gelukkig niet meer zo intensief als miljarden jaren geleden. Door de uitdijing van het heelal is de golflengte van het licht groter geworden en is de energie van de flits over een enorm gebied uitgespreid. De golflengte is zo groot geworden, dat het microgolfstraling is geworden. De ontdekking van deze straling was het definitieve bewijs voor de oerknaltheorie. Hoofdstuk4: Gebruik van de ruimte.  Elk voorwerp dat om de aarde draait is een satelliet. Toepassingen: Alles registreren wat ze waarnemen. Ze ontvangen radiogolven vanaf de aarde en sturen die (soms in een andere vorm weer terug bijvoorbeeld voor: het TV-kijken en telefoneren (communicatiesatellieten). Weersatellieten geven elke dag informatie over het weer. (satellieten voor: plaatsbepaling en remote sensingsatellieten die data over het aardoppervlak of de aardatmosfeer opvangen d.m.v. straling.  Geostationaire satellieten:staan boven de evenaar op 36.000km hoogte. Ze hebben een omlooptijd van 24 uur. Circumpolaire satellieten:draaien om de aarde in baan rond de polen. Ze staan op 700 à 1000 km boven de aarde en hebben een omloopstijd van 11/2 uur.  Een satelliet wordt met een bepaalde snelheid het heelal in gestuurd. De verschillende banen van een satelliet zijn afhankelijk van de snelheid van de satelliet. Hoe sneller de satelliet hoe minder hard de aantrekkingskracht vanaf de aarde op de satelliet, dus hoe verder de satelliet van de aarde verdwijnt.  Als een voorwerp met een snelheid minder dan 11km/s in de ruimte wordt geschoten (vanaf de aarde), dan komt het voorwerp in een baan rond de aarde. Dat komt omdat de zwaartekracht het voorwerp aantrekt. Als de snelheid groter is dan 11km/s dan is de zwaartekracht niet sterk genoeg meer om het voorwerp in een baan rond de aarde te laten zweven. Het voorwerp verdwijnt in de ruimte.  Het ontwerpen en bouwen van de satelliet -De lancering  Een raketmotor heeft een opening van onderen. Hij is via twee leidingen verbonden met een zuurstoftank en een brandstoftank. Een mengsel van zuurstof en brandstof wordt in de brandstofruimte ontstoken. Daardoor ontsnappen deze gassen met een zeer grote snelheid en beweegt de raket omhoog. (Men kan het vergelijken met de werking van een met lucht gevulde ballon die men loslaat, zodat die wegvliegt). Een auto werkt op benzine, maar in de motor moet eerst een vonkje komen om het gas aan te steken.  Dat moet gebeuren met een raket, die gebruikt heel veel brandstof en dat is erg duur.  Er bestaan verschillende soorten elektromagnetische golven, o.a. zichtbaar licht, infraroodstraling en radargolven. Satellieten gebruiken deze straling bij hun werk, sommige satellieten nemen golven waar die vanaf een deel van een planeet worden uitgestraald andere sturen een bundel naar een plek op een planeet en meten de hoeveelheid teruggekaatste stralen.  Steunzender: een steunzender ontvangt een signaal en stuurt dit versterkt weer uit. Ze kunnen een afstand van enkele tientallen of honderden kilometers overbruggen. Dit is over grote afstanden duur en vaak niet te realiseren. -Satelliet: een tv of radiostudio stuurt de informatie naar een uitzendstation (uplink), die stuurt het naar een satelliet en die zend het naar een schotelantenne.  Een satelliet is handig voor grote afstanden (een steunzender is te duur over grote afstanden). Een satelliet kan informatie snel over de hele wereld verspreiden.  Elke geostationaire satelliet heeft zijn eigen plek aan de hemel. Op een hoogte van 35.800km hebben ze dezelfde periode als de aarde, namelijk 24 uur. (Daardoor lijken ze stil te staan boven het aardoppervlak).  GPS=Global Positioning System. Aan de hand van 24 satellieten die rond de aarde draaien kan iemand (met de juiste ontvanger) daaruit zijn plaats ten opzichte van de satellieten bepalen. En zo zijn precieze plaats op aarde bepalen. Men gebruikt het o.a. voor legers, vliegtuigen, schepen en wetenschappelijk onderzoek.  Er zijn verschillende groepen mensen die gebaat zijn bij informatie over het weer: Boeren, toeristen, huismannen en -vrouwen, iedereen dus eigenlijk.  Wolken: de wolken kaatsen meer licht terug dan de atmosfeer. -De temperatuur van het aardoppervlak: het aardoppervlak straalt infrarode straling uit. -De hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer: om te schatten of zich bewolking gaat vormen is het belangrijk de hoeveelheid waterdamp in de lucht te weten.  1.vaststellen van een behoefte of probleem. 2.Het zoeken naar een oplossing. 3.De methode heeft meer mogelijkheden. 4. Nieuwe eisen. Een voorbeeld van zo'n ontwikkeling was bijvoorbeeld de eerste maanlanding.  Deze satellieten cirkelen in een polaire baan om de aarde. De Landsat heeft bijvoorbeeld het hele aardoppervlak in beeld gebracht. Men gebruikt voornamelijk infraroodstraling bij het verzamelen van gegevens over de bodem.  Dat betekent dat het aardoppervlak wordt verdeeld in vierkanten. De verzamelde informatie van de satellieten wordt doorgestuurd naar het grondstation, waar deze bewaard en bewerkt wordt.  Infrarood heeft geen natuurlijke kleur, maar een bepaalde golflengte kun je wel een kleur toewijzen. De kleuren zijn dus niet de natuurlijke kleuren.  Milieu-satellieten en weersatellieten kunnen veel informatie verzamelen over de aarde, dat is heel belangrijk want mede door onze consumptiemaatschappij doen zich veel milieuproblemen voor. De satellieten kunnen hierbij helpen dit probleem te onderzoeken.  Global Change=Wereldwijde verandering. Dit is een verschijnsel dat het best bewaakt en waargenomen kan worden door satellieten. Het vat de aarde als één geheel op. (Alle atmosferen worden in kaart gebracht).