Simuleringer og virtuelle eksperimenter

Det kan ofte være vanskeligt at illustrere og forklare dynamiske fænomener som stjernehimlens daglige bevægelse, planeternes banebevægelser, formørkelser m.m.

I mange år har man lavet tegninger på en tavle, eller endnu bedre: man har benyttet mekaniske modeller til at illustrere sådanne fænomener, der foregår i 3 dimensioner.

I de senere år er der dukket helt nye muligheder op i form af animationer og virtuelle eksperimenter.
Med en animation kan fx se en tegnefilm, der viser et tidsligt forløb af en formørkelse. Herved får mange en bedre forståelse af fænomenet.
En sådan animation kan levendegøre illustrationer i en lærebog og tegninger på en tavle, hvorved det bliver lettere at forstå den bagvedliggende teori.

Det er dog endnu bedre, hvis eleverne aktivt kan gå ind og ændre værdierne for de indgående parametre og se hvilken virkning, det har på resultatet. Sådanne interaktive simulationsprogrammer kan man kalde virtuelle eksperimenter.

Undersøgelser tyder på, at elevernes udbytte af læringsprocessen bliver øget gennem arbejdet med interaktive, virtuelle eksperimenter i forhold til, hvis de kun mødte tilsvarende problemstillinger som opgaver på papir.

Planetarieprogrammer

Starry Night
Alle, der har været i et rigtigt planetarium, ved, hvordan et sådant besøg kan hjælpe til med at forstå bevægelserne på himmelkuglen. Der er naturligvis også udviklet adskillige programmer, der viser stjernehimlen på en computerskærm. Et af de visuelt allerflotteste planetarieprogrammer er Starry Night.

Programmet fås for øjeblikket i 2 versioner: Starry Night Pro og Starry Night Backyard.
På hjemmesiden www.starrynight.com/ kan man få et overblik over forskellen på de to versioner.

Starry Night har en imponerende flot brugerflade, der viser stjernehimlen set fra ethvert sted på Jorden eller fra ethvert sted i Universet inden for en afstand af 700 mio. lysår.

Man kan fx se, hvorledes Kaptajn Cook på Tahiti i 1769 så, hvorledes Venus bevægede sig ind foran solskiven, eller man kan se, hvordan venuspassagen i juni 2004 vil tage sig ud fra forskellige steder på Jorden.
Man kan også se hvorledes Solen den 11. august 1999 blev formørket af Månen set fra forskellige steder på Jorden, eller man kan se, hvordan Mars foretager en sløjfebevægelse mellem stjernerne i efteråret 2003.

 

Programmet er utroligt omfattende. I Pro-udgaven er der således mere end 500 mio. himmellegemer i databasen.
Udover at man kan afspille forskellige astronomiske fænomener som formørkelser, sløjfebevægelser m.m. som QuickTime-film, er det også muligt for den eksperimentérglade at sende selvopfundne himmellegemer i kredsløb eller ændre på forholdene i solsystemet.
I Pro-udgaven kan man få lavet Hertzsprung-Russell diagram for stjerner i et vilkårligt område af himlen.
Carte du Ciel
er et et fransk planetarieprogram, der er gratis. Der er meget omfattende, men ikke helt så brugervenligt som Starry Night. På www.stargazing.net/astropc/index.html kan man downloade programmet og læse en udførlig dokumentation.

Simuleringer og virtuelle eksperimenter

Nogle simuleringer lægger sig så tæt op ad den måde, man arbejder med virkelige data på, at det er naturligt at kalde dem virtuelle eksperimenter til forskel fra virkelige eksperimenter og observationer.

Et godt eksempel på en samling virtuelle eksperimenter med indhold af astronomi er CLEA-projektet, der er udviklet på Gettysburg College.

CLEA
CLEA står for Contemporary Laboratory Experiences in Astronomy og består af forskellige simulationer, der går ud på, at eleverne først observerer og derpå bearbejder de indsamlede data. I CLEA arbejder man med simulerede optiske teleskoper og radioteleskoper, et CCD-kamera, et fotoelektrisk fotometer og en spektrograf. Eleverne kan med dette udstyr bestemme spektraltype, rødforskydninger og afstande.

I øvelsen Moons of Jupiter iagttager man Jupiter og dens 4 galileiske måner med fx 6 timers mellemrum og udmåler månernes placering i forhold til Jupiter. Man kan vælge mellem 4 forstørrelser fra 100x og helt op til 400x. Der er brugt rigtige billeder af Jupiter optaget fra Voyager, men skærmbillederne med månernes placering er ikke virkelige billeder. De er dog korrekte i den forstand, at de er beregnet ved hjælp af et nøjagtigt efemerideprogram. For at gøre CLEA-programmet mere realistisk, er der tidspunkter, hvor man ikke kan observere som følge af, at det er overskyet, og man kommer derfor som i det virkelige liv til at mangle data. Øvelsen kan gøres vanskeligere for eleverne ved, at læreren går ind i opsætningen og øger antallet af overskyede dage, fjerner den automatiske identifikation af månerne eller den automatiske beregning af afstanden fra planeten.
Eleverne kan nu bruge de indsamlede data og ved hjælp af et regneark tegne grafer, ud fra hvilke de kan bestemme månernes baneradius og omløbstid. Disse to størrelser er tilstrækkelige til, at eleverne kan beregne massen af Jupiter.

Med den senest udviklede øvelse The Search of Object X går CLEA-projektet et skridt videre. Øvelsen er åben i den forstand, at eleverne får udleveret koordinater til et ukendt objekt X, og de skal så selv ved hjælp af værktøjerne i CLEA finde ud af så meget som muligt om objektet.
Hvis objektet fx er en stjerne, kan eleverne bestemme dens spektraltype, temperatur og afstand. Hvis det er en stjernehob, kan man skønne afstand og alder. Er det en galakse, bestemmer man radialhastighed og afstand. Hvis kilden ikke er synlig, kan man undersøge, om det kunne være en radiokilde. Øvelsen indeholder ud over en samling simulerede instrumenter en omfattende database med oplysninger om bl.a. 15 mio. stjerner, udvalgte stjernehobe, tusindvis af galakser og 500 pulsarer.
Elevvejledningen beskriver klassifikationskriterier og observationsstrategier. Lærervejledningen indeholder forslag til nogle interessante objekter, der kan undersøges.
Denne udfordrende øvelse forudsætter, at man er blevet fortrolig med brug af CLEA værktøjerne i de mere elementære øvelser Photoelectric Photometry of the Pleiades og The Classification of Stellar Spectra.

Rækken af CLEA øvelser omfatter for tiden:

• Radio Astronomy of Pulsars
• Astrometry of Asteroids
• The Revolution of the Moons of Jupiter
• Measurement of the Rotation of Mercury by Doppler Radar
• Photoelectric Photometry of the Pleiades
• The Classification of Stellar Spectra
• The Hubble Redshift-Distance Relation
• The Large Scale Structure of the Universe
• The Flow of Energy Out of the Sun
• The Period of Rotation of the Sun
• The Search for Object X

samt under udarbejdelse

• The Virtual Educational Observatory

For projektet som helhed gælder, at der er omfattende vejledninger til elever og lærere, der lige som programmer til øvelserne kan downloades gratis fra CLEAs hjemmeside, http://www3.gettysburg.edu/~marschal/clea/CLEAhome.html.

Physlets
Animationen viser et solsystem med 4 planeter.

Der kan arbejdes med animationen på flere måder. Fx kan man bede eleverne finde den af de 4 planeter, der ikke adlyder Keplers 3. lov.
For at kunne løse problemet, skal eleven selv aktivt i gang med at måle baneradier og omløbstider for de fire planeter og derpå undersøge, om Keplers 3. lov er opfyldt.

Ovenstående physlet kan man finde på adressen cwx.prenhall.com/giancoli/chapter5/deluxe.html ved at vælge "Physletâ Problems" i rammen til venstre på skærmen.

Physlets er oprindeligt udviklet på Davidson College af Wolfgang Christian. På webphysics.davidson.edu/Applets/Applets.html er der flere eksempler, dog mest fra fysik. Her kan man endvidere finde vejledning i selv at fremstille egne physlets.

Mindre simulationsprogrammer

Nogle af de flg. programmer kræver, at man er på nettet under brugen, mens andre skal downloades og afvikles fra lokal disk.

Near Earth Object Program fra NASA
I forbindelse med de stjerneskudssværme, der dukker op til bestemte tidspunkter hvert år, kan man hjælpe på elevernes forståelse ved at lade dem arbejde med en JAVA-applet, der viser planeternes og komet Swift-Tuttles banekurver.

Der kan drejes vertikalt og horisontalt samt zoomes ind og ud. Ved at dreje og zoome ind, kan man se, at Jorden omkring den 12. august er tæt på kometens banekurve. Kan det mon have noget at gøre med stjerneskudssværmen Perseiderne, der netop optræder på dette tidspunkt? Ved at zoome ud kan man se, hvor kometen for øjeblikket er i sin bane, og ved at lade tiden løbe, kan man vurdere, hvornår Swift-Tuttle igen passerer Jordens bane. Er der mon en risiko for, at kometen og Jorden vil støde sammen?

Ved at "lege" med appletten får eleverne en fin forståelse af årsagerne til stjerneskudssværme samtidig med, at de kan registrere andre ting som fx, at Jorden overhaler Mars indenom i slutningen af august 2003.
Baggrundsmateriale og applet findes på /neo.jpl.nasa.gov/ kan man i en oversigt vælge andre objekter i solsystemet, hvis banekurver, man er interesseret i at studere nærmere.

Solar System Simulator fra NASA og JPL
Vil man fx se hvordan Saturn ser ud fra rumsonden Cassini netop nu, kan man bruge dette program, der simulerer, hvordan man ser et bestemt objekt fra et valgt sted i solsystemet.
Celestia
er en gratis rum-simulator, der lader os opleve Universet i tre dimensioner. Man kan rejse gennem solsystemet og ud i verdensrummet med en ønsket hastighed i en valgt retning. Man kan endog flyve bort fra Mælkevejen og kigge tilbage ude fra rummet.
På www.shatters.net/celestia/ kan man downloade program (15 Mb), en brugervejledning (27 s.) samt forslag (11 s.) til brug af programmet i undervisningen.

Mars Previewer II
Mars Previewer II er et lille program, der viser overfladen af Mars. Man skal blot indtaste dato og tidspunkt. Sammen med billedet af Mars får man oplysninger om størrelsesklasse, vinkeldiameter m.m. Billedet af Mars kan gemmes som en fil, eller det kan printes ud til brug i forbindelse med observationer i et teleskop.

Download programmet fra skyandtelescope.com/resources/software/article_328_1.asp

På adressen skyandtelescope.com/resources/software/article_329_1.asp er der links til mange andre små astronomiprogrammer, der enten er shareware eller freeware.

---

Artikeloversigt:

Listen nedenfor er en oversigt over de artikler, som kan anvendes i forbindelse med arbejdet med kapitlet.

Artikler
Kapitel 2
Andre litteraturhenvisninger	Henrik Rosenørn (2002). Astronomi – på pc, Valby, IDG Jens Borchsenius Kristensen m.fl.: "Brug af regneark …", Opgave om Planeter s. 15-17 i "Undervisningsforløb i Fysik", Kursusmateriale til edb-efteruddannelse: Modul 3, UVM 1995
Link	Websted med mange gode animationer, videoklip, interaktive eksperimenter, links m.m. til Universe 6.ed. af Roger A. Freedman og William J. Kaufmann III (2002). New York, W.H. Freeman and Co. Planetarium Software Bill Arnetts oversigt af mere end 100 forskellige planetarieprogrammer. Physlets Masser af eksempler samt anvisninger på selv at fremstille denne specielle slags virtuelle eksperimenter. Merlot.org Mere end 100 forskellige animationer og interaktive eksperimenter i astronomi.
Øvelser	Øvelser til kapitel 2