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Technik im Physikunterricht - Technische Universität Braunschweig

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Der Ort des Empfängers

Der Ort des Empfängers kann weiter eingegrenzt werden, wenn man nach dem gleichen Verfahren den Abstand zu einem zweiten Satelliten bestimmt, was eine zweite Kugel mit Radius s2 = c t2 ergibt. Jetzt kann sich der Empfänger nur auf dem Schnittkreis der beiden Kugeln befinden. Wiederholt man das Verfahren mit einem dritten Satelliten, kann man seine Position schließlich exakt bestimmen: Es ist der Punkt, in dem sich alle drei Kugeln schneiden (Abbildung 37). Abbildung 37: Der Empfänger befindet sich am Schnittpunkt der drei durch Laufzeitmessungen bestimmten Kugeln. Der Übersichtlichkeit halber beschränken wir uns in dieser und den nachfolgenden Abbildungen auf zwei Dimensionen. Damit die Laufzeit zwischen Satellit und Empfänger exakt bestimmt werden kann, müssen beide Uhren sehr genau synchronisiert sein. Ein Gangunterschied von nur 1 μs kann einen Fehler von bis zu 300 m in der Ortsbestimmung bedeuten. Die Quarzuhr im Empfänger lässt sich aber nicht dauerhaft so genau mit den Atomuhren in den Satelliten synchronisieren. Daher muss man zu einem Trick greifen: Man führt die Positionsbestimmung zunächst mit der ungenauen Zeit des Empfängers durch. Wegen der falsch bestimmten Entfernungen schneiden sich dann nicht alle drei Kreise in einem Punkt (Abbildung 38 a). Nun wird die Uhr des Empfängers so lange verstellt, bis dies der Fall ist (Abbildung 38 b). Nun hat man neben der Ortsbestimmung auch noch die genaue Zeit ermittelt und die Empfängeruhr ist (wie oben angenommen) mit der Satellitenuhr synchronisiert. Abbildung 38: Ortsbestimmung mit (a) ungenauer Uhrensynchronisation, (b) exakter Uhrensynchronisation 38

4 Naturphänomene Naturphänomene stellen den Gegenpol zu den technischen Anwendungen der Physik dar. Ohne menschlichen Eingriff laufen sie ab und erschließen sich dem aufmerksamen Beobachter – manchmal auffällig wie der Regenbogen oder der Ausbruch eines Geysirs; manchmal ist aber auch genaues Hinsehen erforderlich, um überhaupt zu entdecken, dass man gerade etwas Bemerkenswertes sieht: wie zum Beispiel bei den Sonnentalern, an denen der unaufmerksame Beobachter achtlos vorübergeht. Die meisten in der Literatur besprochenen Naturphänomene sind optischer Natur – die Beispiele reichen von Minnaerts Klassiker „Light and color in the Outdoors“ (1954) bis zum kürzlich erschienenen Themenheft „Naturphänomene“ der Zeitschrift „Praxis der Naturwissenschaften/Physik in der Schule“ (2006). Naturphänomene aus der Elektrizitätslehre sind relativ selten beschrieben worden (außer dem Polarlicht fällt einem natürlich das Gewitter ein, das aber ausgesprochen schwierig zu verstehen ist). Mechanik und Wärmelehre sind in der Literatur etwas häufiger vertreten (z. B. die interessanten Versuche zur Oberflächenspannung von Schlichting (2006)). Im Folgenden soll deshalb exemplarisch ein Beispiel aus der Wärmelehre besprochen werden: die Vorgänge beim Ausbruch eines Geysirs. 4.1 Der Ausbruch eines Geysirs Dort, wo aus natürlichen Gründen heißes Wasser nahe der Erdoberfläche existiert, können Geysire entstehen. Mehr oder weniger regelmäßig kommt es zu einer Eruption, bei der das heiße Wasser schwallartig oder in einer Fontäne ausgestoßen wird. Geysire treten an einigen Orten der Welt in sogenannten Geysirfeldern gehäuft auf (Yellowstone-Nationalpark, Island). Der Ausbruch eines Geysirs ist ein spektakuläres Ereignis (Abbildung 39). Jährlich werden Tausende von Touristen davon angelockt. Abbildung 39: Ausbruch eines Geysirs (Foto: M. Pieper) 39

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