Physikreferat

Ort: Gymnasium an der Heinzenwies, Idar-Oberstein

Raum: PP

Unterrichtszeit: sechste Stunde: 12:10 - 12:55 Uhr

Fachlehrer

Kurs: P 11/2

Referenten: Albert, Florian

Henn, Andreas

Thema: Der Wandel vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild

Kurze Erklärung geo- und heliozentrisches Weltbild

Die Wandlung vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild

Kurzbiographien: Nikolaus Kopernikus

Galileo Galilei

Johannes Kepler

Isaac Newton

Auswirkungen auf die Gesellschaft

Kurze Erläuterung geo- und heliozentrisches Weltbild

Geozentrisch: griechisch: auf die Erde als Mittelpunkt bezogen

Heliozentrisch: griechisch: auf die Sonne als Mittelpunkt bezogen; heliozentrisches Weltbild von                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      Kopernikus gelehrtes System mit der Sonne als Weltmittelpunkt.

Die Wandelung vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild

Die Geschichte der Astronomie nahm im 16. Jahrhundert in Folge der Beiträge des polnischen Astronomen Nikolaus Kopernikus eine dramatische Wende. Nach seinen Studien an der Universität Kraków, die damals ein weltberühmtes Lehrzentrum für die mathematischen Fächer war, ging er 1496 nach Italien. Den größten Teil seines Lebens verbrachte Kopernikus mit Astronomie und entwarf einen neuen Sternenkatalog nach seinen persönlichen Beobachtungen. Kopernikus setzte sich kritisch mit der ptolemäischen Theorie eines geozentrischen Universums auseinander. Er wählte beispielsweise anstelle der Erde die Sonne als Zentralgestirn. Allerdings gelang es ihm nicht, mit seinem System bessere Voraussagen zu gewinnen, was u. a. Tycho Brahe dazu veranlasste, es zu verwerfen. Erst die Einführung der Ellipsenbahnen durch Johannes Kepler verhalfen dem heliozentrischen System zum Durchbruch.

Das kopernikanische System wurde von kirchlicher Seite angegriffen, das Werk später auf den Index gesetzt. Galileo Galilei fand Beweise, die es untermauerten. Schon lange bewunderte der italienische Mathematiker und Physiker die Arbeit von Kopernikus. Die Möglichkeit, die kopernikanische Theorie zu überprüfen, bot sich mit der Erfindung des Teleskops. Galilei baute 1609 einen kleinen Refraktor, richtete ihn gegen den Himmel und entdeckte die Venusphasen, die darauf hinwiesen, dass dieser Planet um die Sonne kreist. Er entdeckte auch vier Monde, die um den Jupiter kreisten. In der Überzeugung, dass wenigstens einige Himmelskörper nicht um die Erde kreisen, begann er das kopernikanische System in Wort und Schrift zu unterstützen. Seine offene Parteinahme für Kopernikus führte zu einem offenen Konflikt mit den Kirchenbehörden. 1633 zitierte man Galilei nach Rom vor ein Tribunal der Inquisition. Obwohl der Gelehrte - teilweise unter Folter - gezwungen wurde, seine Annahmen und Schriften zu widerrufen, konnte die Theorie nicht unterdrückt werden.

Das Kopernikanisches System war ein Modell des Sonnensystems mit der Sonne als Zentrum. Das kopernikanische System ist eine Weiterentwicklung und Zusammenfassung der Theorien, nach denen sich die Planeten auf Umlaufbahnen um die Sonne bewegen, dass die Erde einer dieser Planeten ist und dass sie sich einmal pro Tag von Westen nach Osten um ihre Nord-Süd-Achse dreht. Diese Hypothesen ersetzten das ptolemäische System, das bis dahin die vorherrschende astronomische Theorie war. Die Veröffentlichung des kopernikanischen Systems regte weitere astronomische und mathematische Untersuchungen an und war die Grundlage für wichtige Entdeckungen durch den deutschen Astronomen Johannes Kepler und den englischen Physiker Isaac Newton.

Die Folgen der kopernikanischen Theorie

Vom wissenschaftlichen Standpunkt aus gesehen war die kopernikanische Theorie nur eine Neuanordnung der Planetenumlaufbahnen, die Ptolemäus erdacht hatte. Die alte griechische Theorie, dass sich Planeten auf kreisförmigen Bahnen mit festen Geschwindigkeiten bewegen, wurde im kopernikanischen System beibehalten. Von 1580 bis 1597 beobachtete der dänische Astronom Tycho Brahe Sonne, Mond und Planeten von seinem Insel-Observatorium bei Kopenhagen aus und später in Deutschland. Unter Verwendung der von Brahe zusammengestellten Unterlagen formulierte Johannes Kepler die Gesetze der Planetenbewegung. Nach Kepler kreisen die Planeten nicht in kreisförmigen Bahnen und nicht mit gleich bleibender Geschwindigkeit um die Sonne. Dies geschieht in elliptischen Bahnen und mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Kepler fand auch heraus, dass die Abstände der Planeten von der Sonne von der Umlaufphase abhängen.

Der englische Physiker Isaac Newton brachte ein einfaches Prinzip ins Spiel, um die Kepler'schen Gesetze zu erklären. Er postulierte eine Anziehungskraft zwischen der Sonne und den einzelnen Planeten. Diese Kraft, die von den Massen der Sonne und der Planeten und von der Entfernung zwischen ihnen abhängig ist, liefert die Grundlage für die physikalische Interpretation der Kepler'schen Gesetze. Newtons Annahme wird als universelles Gravitationsgesetz bezeichnet.

Die drei Kepler'sche Gesetze handeln über die Bewegung der Planeten, die der deutsche Astronom und Gelehrte Johannes Kepler Anfang des 17. Jahrhunderts formulierte. Kepler leitete seine Gesetze von den Planetenangaben ab, die der dänische Astronom Tycho Brahe gesammelt hatte. Seine Thesen brachen mit dem jahrhundertealten Glauben, dass sich die Planeten auf kreisförmigen Umlaufbahnen bewegten. Dies waren Kernaussagen des ptolemäischen Systems und auch des kopernikanischen.

Laut Keplers erstem Gesetz bewegen sich die Planeten auf elliptischen Umlaufbahnen um die Sonne, wobei sich die Sonne in einem Brennpunkt der Ellipse befindet. Das zweite Gesetz sagt aus, dass die gerade Linie, die den Mittelpunkt des Planeten mit dem Mittelpunkt der Sonne verbindet, in gleichen Zeitabständen gleiche Flächen überstreicht. Mit anderen Worten ausgedrückt, je näher ein Planet der Sonne kommt, desto schneller bewegt er sich. Das dritte Kepler'sche Gesetz besagt, dass das Verhältnis des Quadrates der Umlaufzeit eines Planeten zu der dritten Potenz der großen Halbachse der Ellipsenbahn eines Planeten von der Sonne, a - d. h., T²/a³, ist für alle Planeten gleich.

Diese Gesetze spielten eine große Rolle für das Gravitationsgesetz von Sir Isaac Newton und sind wichtig für das Verständnis der Umlaufbahnen des Mondes und künstlicher Satelliten.

Newton'sches Gravitationsgesetz

Das Newton'sche Gravitationsgesetz, benannt nach dem englischen Physiker Sir Isaac Newton, besagt, dass die gravitationsbedingte Anziehung zwischen zwei Körpern direkt proportional ist zum Produkt der Massen der beiden Körper und indirekt proportional zum Quadrat ihrer Entfernung. Als algebraische Formel lautet das Gesetz,

wobei F die Gravitationskraft ist, m₁und m₂ die Massen der beiden Körper, r die Entfernung zwischen den Körpern und  die Gravitationskonstante. Der Wert dieser Konstante wurde erstmals von dem britischen Physiker Henry Cavendish 1798 mit Hilfe einer Drehwaage gemessen. Der zur Zeit genaueste Wert dieser Konstante liegt bei 0,0000000000667 Newton Quadratmeter pro Kilogramm zum Quadrat (6,67 × 10^-11 Nm² / kg^²). Die Gravitationskraft zwischen zwei kugelförmigen Körpern von je 1 Kilogramm Masse, deren Mittelpunkte 1 Meter voneinander entfernt sind, beträgt 0,0000000000667 Newton. Es handelt sich also um eine sehr kleine Kraft, die dem Gewicht eines Objekts mit der Masse von ungefähr 1/150 000 000 000 Kilogramm auf der Erde entspricht. Das Newton'sche Gravitationsgesetz ist vor allem für die Himmelsmechanik sehr wichtig geworden.

Beobachtungsmethoden

Mit Hilfe der Erfindung des Spiegelteleskops gelang es Newton noch genauere Sternenbeobachtungen durchzuführen, als es zuvor schon Galilei und Kopernikus mit einfachen Linsenteleskopen machen konnten.

Kurzbiographien

Nikolaus Kopernikus (* 19.02.1473; gest.: 24.05.1543) deutscher Astronom und Arzt

Ab 1491: Mathematische und astronomische Studien

1496-1500: Studium in Bologna über geistliches und weltliches Recht

1501: Studium in Padua und Ferrara, promoviert Studium in Medizin

1506-1512: Mitverwalter des Bistums Ermland

Ab 1512 Kanzler des Bistums

1529: Setzt sich für Münzreform ein

Leistungen: Revision der Lehre von den Planetenbewegungen, anhand von kritisch gesehenen Beobachtungen Grundlage für Kalenderreform

T kopernikanisches Weltbild: Sonne steht im Mittelpunkt, Planeten drehen sich in einer Kreisbahn um sie und um sich selbst

Galileo Galilei (*15.02.1564 gest.: 08.01.1642) italienischer Mathematiker und Philosoph

1584-1589: Studium in Pisa; wird dort mit den Schriften des Archimedes bekannt

1592: Professor der Mathematik in Padua

1608: Galilei baut das in Holland erfundene Fernrohr nach und benutzt es für astronomische Beobachtungen

1610: Er veröffentlicht erste Ergebnisse in seinem Buch Sternenbotschaft

Ab 1610: Erstmals öffentliche Auftritte: tritt für das kopernikanische Weltbild ein

Übereifer Galileis führt in den folgenden Jahren zu einem Verbot der kopernikanischen Lehre herbei Vermahnung Galileis

1618: Streit über die Flugbahn der Kometen Galilei verfasst den "Saggiatore" und widmet sie dem Papst

bis 1633: Starke, öffentliche Parteinahme für kopernikanisches Weltbild®Prozess gegen Galilei endet mit Abschwörung und Verurteilung Galileis am 22.06.1633

(Zitat: "Und sie bewegt sich doch!")

Während seiner Haftzeit verfasst er, für die weitere Entwicklung der Physik wichtigstes Werk, die "Discorsi e Dimostrazione matematiche"( Die Unterhaltungen und Beweisführungen über zwei neue Wissenszweige, die Mechanik und die Lehre von den örtlichen Bewegungen, d.h. der freie Fall und der Wurf)

Leistungen: Erfindung des Proportionalzirkels; Fand die Gesetze für das Fadenpendel heraus und leitete hypothetisch die Fallgesetze ab.

Entdeckung der bergigen Natur des Mondes, des Sternenreichtums der Milchstraße,

der Phasen der Venus, der Jupitermonde und 1611 der Sonneflecken

Johannes Kepler (*27.12.1571 gest.: 15.11.1630) deutscher Mathematiker und Theologe

bis 1589: Besuch verschiedener Schulen(Latein- und Klosterschulen)

1589-1594: Studium der Theologie in Tübingen, wo er auch auf die Lehre des Kopernikus aufmerksam wird

1594: Landschaftsmathematiker und Lehrer an der evangelischen Schule in Graz

1594-1600: Erste Veröffentlichungen seiner Werke: u.a. die: "Mysterium Cosmographicum": Inhalt: " relative Abstände der Planeten von der Sonne mit den Halbmessern der den regelmäßigen Körpern ein- oder unbeschriebenen Kugeln in Zusammenhang zu bringen." enthält im Keim viele Gedanken, die Kepler später weiterführt

1600: Umzug nach Prag wird dort kaiserlicher Mathematiker und Hofastronom

1611: Schicksalsschlag: Verlust von Frau und Sohn

1612: Zieht nach Linz um

Vollendung seiner Werke

gerät in konfessionelle Streitigkeiten

rettet seine Mutter aus einem Hexenprozess

Leistungen: Vervollkommnung des kopernikanischen Weltbildes: Sonne steht im Mittelpunkt,

Planeten kreisen in Ellipsenbahnen um sie und drehen sich selbst; ihm gelingt die mechanische Erklärung der PlanetenlaufbahnenTstellt die später nach ihm benannten Gesetze der Planetenbewegungen auf (Keplerschen Gesetze)

Sir Isaac Newton (*04.01.1643 gest.:31.03.1727) englischer Physiker und Mathematiker

1661-1669: Studium  in Mathematik am Tinity College in Cambridge

Ab 1669: Professor der Mathematik am Tinity College in Cambridge

1672: Newton wird geadelt®Eintritt in die "Royal Society"

1698: Nach langer schwerer Krankheit wird Newton als Münzwardein nach London berufen

1699: "Master of the Mint" (Vorsitzender der Münzdruckerei); die Pariser Akademie wählt ihn zu einem von ihren acht Auswärtigen Mitgliedern

1703-1727: Vorsitzender der "Royal Society"

1704: Erste Veröffentlichungen seine optischen Untersuchungen

Leistungen: auf dem Gebiet der Experimentellen Optik, der theoretischen Mechanik und der höheren Mathematik; Verbesserung der Fernrohre(Spiegel- statt Linsenteleskop); Nominaldefinitionen, deren Sinngehalt sich erst im Zuge der Benutzung herausstellt T Newtonsche Axiome: Trägheitsprinzip, Aktionsprinzip, Reaktionsprinzip

Gekonnte Zusammenfassung der Leistungen seiner Vorgänger zu einem System der theoretischen Mechanik

Auswirkungen auf die Gesellschaft

Der Wandel vom geozentrischen zum heliozentrischen Weltbild wurde hauptsächlich durch die neuen sozialen Gedanken der Renaissance begünstigt. Die Loslösung von der Bibel als einzige Autorität für die Interpretation der weltlichen Erscheinungen erlaubte es den Menschen in diesem Zeitalter durch wissenschaftlichen Untersuchungen im Bereich der Natur neue Ergebnisse zu erlangen. Daher ist es logisch, dass es die Kirche war (Vertreter des geozentrischen Weltbilds), die gegen die neuen Erkenntnisse von Kopernikus, Galilei, Kepler und Newton angefochten hatte. Schon Kopernikus traf mit seinen Erkenntnissen auf kirchlichen Widerstand. Er widmete daher sein Buch "De revolutionibus orbium coelestium libri VI" dem damals regierenden Papst Paul III. Galilei begegnete ähnlichen Problemen, als er c.a 100 Jahre später mit seinen Lehren an die Öffentlichkeit tritt. Er wird vor ein Kirchentribunal zitiert und wird gezwungen seine Theorien, trotz Richtigkeit zu widerrufen.

Der Wandel vom geo- zum heliozentrischen Weltbild wirkte sich auf die Gesellschaft auf andere Weise aus. Die Ausweitung des Weltbildes, basierend auf den Erkenntnissen von Kopernikus führte zu einer Welle von Entdeckungsseefahrten, die die Landkarte rasant vergrößerten. So zum Beispiel die Entdeckungsreisen von Christoph Columbus oder Magalhaes.