Luftverschmutzung durch Pkw 1
Autoabgase: Ein Auto mit „Baum
inklusive“ kaufen?
Zusammenfassung
In dieser Unterrichtseinheit erforschen die Schüler wie Pflanzen den durch Kraftfahrzeuge erzeugten
CO2 Ausstoß absorbieren können. Ausgehend von einer Werbung eines Automobilherstellers
analysieren sie die Informationen der Website kritisch und erstellen auf der Grundlage von
mathematischen Berechnungen und wissenschaftlichen Fakten einen Bericht.
Während der ganzen Unterrichtseinheit werden die Schüler einfache Berechnungen (wahlweise mit
Excel) durchführen, statistische Maße wie z.B. den Mittelwert bestimmen, den Prozess der
Fotosynthese und beeinflussende Faktoren untersuchen, Diagramme qualitativ analysieren und
interpretieren sowie Oberflächen und Volumen bestimmen.
Aspekt
Beschreibung
Mathematischer Inhalt







Alter der Schüler
Statistische Maße: Mittelwert
Lineare Funktionen
Diagramme
Qualitative Analyse von Diagrammen
Geometrie: Flächen und Volumen (optional)
Prozess der Fotosynthese
Die Fotosynthese beeinflussende Faktoren:
Lichtintensität und CO2 Konzentration
 Ausstoß von CO2
 Kohlendioxid senkende Lebewesen: Pflanzen
 Ökosysteme
13-16
Anzahl der Stunden in Mathematik
4-6
Anzahl der Stunden in den Naturwissenschaften
4-6 Stunden
Bezug zum Bildungsplan – Naturwissenschaften
(Baden-Württemberg, Realschule)
NWA:
Antworten und Erkenntnisse durch Primärerfahrungen:
Beobachten – Beschreiben – Fragen
Planen-Untersuchen-Schlussfolgern:
 Versuche zur Fotosynthese durchführen
 Daten erheben durch Messen, Beobachten,
Beschreiben, Vergleichen
Reflektieren – Verknüpfen – Anwenden:
 auswerten unter Verwendung von Fachsprache,
Diagrammen, Tabellen, Gleichungen, Graphiken,
Funktionen, Texten (ab Klasse 7)
Naturwissenschaftlicher Inhalt
1
Luftverschmutzung durch Pkw 2

Modelle zur Kapazität eines Baumes CO2 zu
absorbieren
bilden
und
Zusammenhänge
formulieren (ab Klasse 7)
 Ergebnisse reflektieren und diskutieren
Antworten und Erkenntnisse durch Kooperation und
Kommunikation:
 Experimente, Erkenntnisse und Fakten in
angemessener Fachsprache präsentieren und auf
Rückfragen antworten
Experimentieren und mit ausgewählten Stoffen umgehen
können
Die Prinzipien des Lebendigen verstehen:
 Stoffwechsel- und Energieumwandlungsprozesse
(Fotosynthese und Zellatmung) mithilfe eines
Experiments erfassen, beschreiben und mit
Summenformeln darstellen (ab Klasse 7)
Bezug zum Bildungsplan – Mathematik (Baden- Leitidee Messen (ab Klasse 8)
Württemberg, Realschule)
 mit Formeln zur Berechnung von Flächeninhalt
umgehen, sie variieren und verstehen und sie auf
Baumblätter anwenden
Leitidee Funktionaler Zusammenhang: (Klasse 10)
 grafische Darstellungen und Tabellen lesen und
auswerten
 die Veränderung von Größen (z.B. Lichtintensität
und Fotosynthese) und deren Abhängigkeit
beschreiben und analysieren
Leitidee Daten: (Klasse 10)
 Ordnungen und Strukturen erfassen
 grafische Darstellungen und Tabellen zur
Fotosynthese auswerten
 grafische Darstellungen bewerten
Leitidee Modellieren: (Klasse 10)
 in dem jeweiligen mathematischen Modell arbeiten
 Modelle einschätzen und verschiedene Modelle
vergleichen
 das Problem der Passung von Situation und
Mathematik lösen
2
Luftverschmutzung durch Pkw 3
Bild aus der Microsoft Clipart Galerie
1.Überblick über die Unterrichtseinheit
1.1 Die Situation
Bevor man ein neues Auto kauft, informiert man sich normalerweise im Internet, um Preise und
technische Angaben verschiedener Fahrzeuge zu vergleichen. Wenn man dies auf der spanischen
Homepage eines bekannten deutschen Automobilherstellers macht, findet man die Option, einen Baum
zum Auto zu erwerben. Man kann entscheiden, ob man diese „Sonderausstattung“ gratis möchte, oder
gegen einen Aufpreis mehrere Bäume pflanzen lassen will. Dies ist Teil der „CO2 neutral“ Aktion dieses
Unternehmens, jedoch nur in Spanien. Andere Unternehmen haben zum Teil ähnliche Initiativen initiiert.
So
findet
man
ein
ähnliches
Angebot
z.B.
auf
der
Seite
http://www.mazda.de/aboutmazda/news/mazda_corporate/mazda-umweltaktion-zum-klimaschutzdie-grune-varioflat-mit-co2-ausgleich/ . In dieser Unterrichtseinheit wird das spanische Angebot näher
betrachtet.
3
Luftverschmutzung durch Pkw 4
1 Baum wird in den Alcaraz-Bergen gepflanzt und 40 Jahre lang versorgt.
Der erste Baum wird kostenlos gepflanzt und 40 Jahre lang versorgt.
Für den Fall, dass man sich entscheidet das “CO2-neutral-Paket” zu erwerben, erhält man zu diesem
Paket auf der Homepage folgende Informationen:
„11 Bäume werden in diesem Jahr in den Bergen von Alcaraz (Albacete) gepflanzt. Die „más
árboles foundation” wird sich in den nächsten 40 Jahren um sie kümmern. Diese Bäume werden
in den nächsten 40 Jahren den durchschnittlichen CO2 Ausstoß eines VW Eos auf 20.000km
kompensieren.“
Abhängig von Modell und Motor werden zwischen 9 und 14 Bäume gepflanzt, um den Ausstoß zu
kompensieren, den das Auto auf den ersten 20.000km verursacht. Möchte man weitere Kilometer
kompensieren, kann man, laut Homepage, mehrere Pakete dazu kaufen (40.000km: 2 Pakete,
60.000km: 3 Pakete: usw.).
Ein Einführungsvideo (auf Spanisch) dazu gibt es unter:
http://www.movimientobluemotion.com/compensa/presentacion
1.2 Übergreifende Fragestellungen

Weshalb interessiert sich ein Automobilhersteller für das Pflanzen von Bäumen?

Wie viel CO2 verursachen Autos?

Wie kann das Pflanzen von Bäumen den CO2 Ausstoß durch Autos kompensieren?

Welche Faktoren beeinflussen die Menge CO2, die eine Pflanze absorbieren kann?
4
Luftverschmutzung durch Pkw 5

Wenn man die Wahl hat, welchen Baum sollte man wählen?

Trägt die Situation, wie sie gerade geschildert wurde, wirklich dazu bei, die CO2 Emission eines
Neuwagens zu kompensieren, oder handelt es sich um eine reine Werbestrategie?
1.3 Endprodukt
Am Ende der Unterrichtseinheit schreiben die Schüler einen Bericht über ihre Erkenntnisse. Abhängig
von den Untersuchungsergebnissen sollte entschieden werden, ob es interessant wäre diesen Bericht
an:

das Unternehmen in Deutschland zu senden, damit es auch hier bei dieser Initiative mitmacht

das Unternehmen in Spanien, um das Programm zu verbessern

einen anderen Automobilhersteller, um ähnliche Initiativen zu fördern

oder an die Presse, um einen Schwindel öffentlich anzuprangern …
1.4 Vorschläge
Mögliche Anpassungen an den Kontext im eigenen Land:

„CO2 neutral“ Aktion: Suche nach ähnlichen Programmen in Deutschland.

Betrachtete Baumarten: In den Aufgaben 4,5 und 6 wurden exemplarisch einige Bäume
betrachtet. Die Schüler sollten jedoch wissen, dass nicht alle diese Bäume in Deutschland
gepflanzt werden können. Stattdessen können Bäume betrachtet werden, die in Deutschland
beheimatet sind.
1.5. Der Ablaufplan
Lektion Mathematik
Naturwissenschaften
1
Aufgabe 1: Darstellung der Situation
Weshalb interessiert sich ein Automobilhersteller für das Pflanzen von Bäumen?
2
Aufgabe 2: Wie viel CO2 stößt ein Auto
aus?
 Wie wird die Verunreinigung durch Autos
gemessen?
 Welche Variablen spielen dabei eine
Rolle?
 Wie kann ein Modell erstellt werden, das
den CO2 Ausstoß durch Autos
quantifiziert?
5
Luftverschmutzung durch Pkw 6
3
Aufgabe 3: Weshalb können Pflanzen die
Umweltverschmutzung kompensieren?
Laborarbeit am Elodea canadensis
Experiment:
(Kanadische Wasserpest)
 Weshalb steigen von der Pflanze Bläschen
auf?
 Welches Gas wird im Reagenzglas
gesammelt?
 Welche Prozesse laufen im Inneren der
Pflanze ab?
Aufgabe 4: Welche Faktoren beeinflussen
die Kapazität der Pflanzen CO2 zu
absorbieren?
 Ist die Kapazität einer Pflanze CO2 zu
absorbieren immer gleich groß?
 Wenn nicht, welche Faktoren könnten die
Kapazität CO2 zu absorbieren
beeinflussen?
 Welchen Zusammenhang gibt es
zwischen Lichtintensität und
Fotosynthese?
4
5
6
Aufgabe 5: Wie viel CO2 kann ein Baum
kompensieren?
 Wie kann die von einem Baum
kompensierte Co2 Menge berechnet
werden? Identifizieren der für diese
Situation relevanten Variablen.
 Wie kann die Situation vereinfacht
werden?
 Kann die von einem bestimmten Baum
kompensierte CO2-Menge berechnet
werden?
Aufgabe 6: Zurück zur Ausgangssituation
Ist das „CO2-neutral-Paket“ wirklich effektiv oder lediglich eine Werbestrategie?
6
Luftverschmutzung durch Pkw 7
2. Beschreibung der Unterrichtseinheit
2.1 Aufgabe 1 – Darstellung und Einstieg in das Thema
Im Jahr 2010 bot ein deutscher Automobilhersteller in Spanien die Option an Bäume zu pflanzen, wenn
ein neues Auto gekauft wird. Dies wurde im Rahmen des „Co2-neutral-Programm“ auf der
Unternehmens-Website und im Fernsehen beworben. Dabei wird ein Baum beim Kauf eines Neuwagens
gratis gepflanzt, zusätzlich können weitere Bäume („CO2-neutral-Paket“) erworben werden.
Informationen zu diesem Programm sind unter http://www.thinkblue.es/ zu finden. (Diese Internetseite
ist auf Spanisch.)
Ziele dieser Aufgabe
Das Ziel der Aufgabe ist es die Schüler in die Problematik der gesamten Unterrichtseinheit, der
Umweltverschmutzung durch Autos, einzuführen.
Die Situation sollte vom Lehrer eingeführt werden. Wenn eine Internetverbindung möglich ist, kann die
Homepage des Autoherstellers aufgerufen werden. Informationen über das „CO2 - neutral
Programm“ finden sich nur in der spanischen Version der Homepage (Kurze Beiträge auf Deutsch finden
sich unter http://www.mythinkblue.de/think_blue/main/news//blogs/28016/maximized?_33_redirect=%2Fc%2Fportal%2Flayout%3Fp_l_id%3D26205&_33_urlTitle=ei
n-ganzer-wald-in-bluemotion ). Außerdem kann Arbeitsblatt 1.1 verwendet werden.
Schüleraktivität 1: Einführung in die Situation
 Weshalb glaubst Du ist ein Automobilhersteller daran interessiert,
Bäume zu pflanzen?
 Weshalb könnten sie das als Werbestrategie verwenden?
(siehe Arbeitsblatt 1.1)
Nach dem ersten Kontakt mit den Informationen könnte ein Brainstorming über die Situation folgen.
Daraus könnten interessante Fragen und Überlegungen entstehen.
Die Schüler können ihre Ideen und Fragen auf Moderationskärtchen oder Post-its schreiben, die dann
gesammelt und nach Gemeinsamkeiten kategorisiert werden. Dadurch erhält man wertvolle
Informationen über das Vorwissen der Schüler, und kann darauf aufbauend die nächste Stunde
anpassen. Des Weiteren können interessante Fragen gestellt werden, die später untersucht werden.
7
Luftverschmutzung durch Pkw 8
Nach dem ersten Brainstorming über den Sachverhalt soll die Situation nun genauer analysiert werden.
8
Luftverschmutzung durch Pkw 9
2.2 Aufgabe 2 – Mathematik: Wie viel CO2 stößt ein Auto aus?
In dieser Aufgabe werden die Schüler quantitative Nachforschungen über den CO2 Ausstoß von Autos
anstellen. Um diese Aufgabe mit der Ausgangssituation zu verbinden, sollten sie ihre Nachforschungen
auf Autos der eingangs untersuchten Marke (in diesem Beispiel VW) beschränken, auch wenn die
Ergebnisse von anderen Marken ähnlich wären.
Ziele dieser Aufgabe
Das Ziel der Aufgabe ist es ein Modell zu entwerfen, mit dem die Menge an ausgestoßenem CO2 in
Abhängigkeit zur gefahrenen Strecke von verschiedenen Autos gemessen werden kann. Die Schüler
identifizieren relevante Variablen, finden Zusammenhänge, erstellen Modelle und arbeiten mit diesen.
Die Schüler arbeiten numerisch (Tabellen), grafisch und / oder algebraisch (Formeln), wahlweise auch
mit Tabellenkalkulationen.
Beitrag zur Ausgangsfrage
Um das Programm des Automobilherstellers zu evaluieren, müssen die Schüler die Menge an
ausgestoßenen Abgasen mit der Menge an CO2, die von Bäumen kompensiert werden kann,
vergleichen. Der erste Teil wird in dieser Aufgabe berechnet, der Rest in den Folgenden.
Mathematischer Inhalt
Funktionale Zusammenhänge, lineare Funktionen, Wahrscheinlichkeit, mathematisches Modellieren,
Statistik (Mittelwert).
Naturwissenschaftlicher Inhalt
Kohlendioxid, Umweltverschmutzung durch Automobile.
Schüleraktivität 1: Wie viel CO2 stößt ein Auto aus?
In dieser Aufgabe wirst Du Nachforschungen über die Abgase von Autos
anstellen und diese in Zahlen ausdrücken. Da sich die Werbung auf VW bezieht,
solltest du deine Nachforschungen zunächst auf VW beschränken.
1. Welches Gas stoßen Autos aus? In welchen Einheiten wird dies
gemessen?
2. Suche 3 verschiedene Automodelle. Wie viel Gas stoßen diese auf 100,
500 und 5000 km aus?
3. Stelle den Gasausstoß für die von dir gewählten Autos in Abhängigkeit
der gefahrenen Strecke dar.
9
Luftverschmutzung durch Pkw 10
Durch eine Recherche im Internet finden die Schüler heraus: Der CO2 Ausstoß eines Autos hängt von
verschiedenen Faktoren ab, jedoch hauptsächlich vom Benzinverbrauch (der wiederum z.B. an die
Durchschnittsgeschwindigkeit gekoppelt ist).
Die meisten Automobilhersteller nennen durchschnittliche CO2 Emissionswerte für ein Modell und
Motor, die in Gramm pro Kilometer (g/km) angegeben werden (es ist jedoch mehr als wahrscheinlich,
dass die Emissionen im Alltag höher liegen).
Die Berechnung der Emissionswerte erfordert folgende Variablen:
 Zurückgelegte Entfernung eines Autos (normalerweise in km).
 Ausgestoßenes CO2 (normalerweise in g).
Die Situation kann über lineare Funktionen modelliert werden, dabei ist die „Emissionsrate“ (in g/km)
die Proportionalitätskonstante. Wenn die Schüler mit dem Arbeiten beginnen, werden sie bemerken,
dass es keinen Sinn macht die Emissionswerte für jedes Modell und jeden Motor zu berechnen, da die
Unterschiede zwischen zwei Autos gleicher Baureihe vernachlässigbar sind. Dies führt zur Einführung in
die Statistik.
Ergebnis: Die Schüler können unterschiedliche Darstellungen wählen. Einige bevorzugen grafische
Ansätze und zeichnen ein Diagramm, andere drücken ihr Ergebnis in Form einer Tabelle oder mit dem
Funktionsterm aus.
Das erste Problem kommt bei der Bestimmung der Kenngröße (die „Emissionsrate“) auf. Wenn sich die
Schüler ein konkretes Automodell mit einer bestimmten Motorengröße aussuchen, gibt es kein
Problem: man sucht einfach auf der Homepage des Herstellers nach den Daten. Da aber Bäume für alle
Autos dieser Marke gepflanzt werden, müssen die Emissionswerte aller Modelle mit den jeweils
verschiedenen Motorenkonfigurationen in Betracht gezogen werden. Diese Informationen sind zwar auf
der offiziellen Homepage des Herstellers zugänglich, ergeben jedoch eine unüberschaubare Menge an
Daten.
Exemplarisch wird der VW EOS als Beispiel betrachtet:
10
Luftverschmutzung durch Pkw 11
Modell VW EOS
1.4 TSI 122 CV
1.4 TSI 160 CV
2.0 TSI 200 CV
3.6 V6 FSI 260 CV
2.0 TDI 140 CV
154
159
178
214
159
1000
154000
159000
178000
214000
159000
2000
308000
318000
356000
428000
318000
3000
462000
477000
534000
642000
477000
4000
616000
636000
712000
856000
636000
5000
770000
795000
890000
1070000
795000
6000
924000
954000
1068000
1284000
954000
7000
1078000
1113000
1246000
1498000
1113000
8000
1232000
1272000
1424000
1712000
1272000
g/km -->
km
9000
1386000
1431000
1602000
1926000
1431000
10000
1540000
1590000
1780000
2140000
1590000
15000
2310000
2385000
2670000
3210000
2385000
20000
3080000
3180000
3560000
4280000
3180000
30000
4620000
4770000
5340000
6420000
4770000
Dieser Datensatz kann mit Excel in einem Diagramm dargestellt werden, so dass ein grafischer
Vergleich möglich ist.
Das Beispiel zeigt deutlich, dass es keinen Sinn macht die Emissionswerte für jedes Modell und jeden
Motorentyp zu berechnen. Die Berechnung des Mittelwerts hilft hier weiter.
Beispielsweise sind folgende Berechnungen denkbar:
• Berechnung des arithmetische Mittels (oder Median bzw. Modalwert) aller Daten
• Berechnung des arithmetischen Mittels (oder den Median bzw. Modalwert) der beliebtesten
Automodelle dieser Marke.
11
Luftverschmutzung durch Pkw 12
Je nach Streuung der Daten können Fragen wie „kann ein einziger Wert die ganze Bandbreite der Daten
repräsentieren?“ aufkommen und dazu führen, dass andere Strategien, wie z.B. die Gruppierung der
Fahrzeuge in Klassen (niedrige, mittlere und hohe Emissionen) und die Nutzung dieser repräsentativer
Werte, vorgeschlagen wird.
Beispielsweise könnten Schüler die nachstehende Klassifikation in Betracht ziehen:
• Autos mit niedriger Emission:  100 g/km
• Autos mit mittlerer Emission:  150 g/km
• Autos mit hoher Emission:  200 g/km
Zusammenfassend sind in diesem Teil der Unterrichtseinheit folgende Schritte nötig:
• Das identifizieren relevanter Variablen und Abhängigkeiten (Ausstoß pro Kilometer und
gefahrene Kilometer)
• Die Folgerung, dass es aufgrund der enormen Datenmenge sehr aufwendig ist, die
Emissionswerte aller Automodelle und Motorentypen zu berechnen. Die vielen Einzeldaten
können stattdessen durch repräsentative Werte (z. B. das arithmetische Mittel) vereinfacht
dargestellt werden.
• Die Modellierung (nährungsweise Berechnung) von Emissionen der Fahrzeuge und deren
Veranschaulichung (Tabellen, Diagramme und/ oder Funktionsterme) in Abhängigkeit der
gefahrenen Entfernung.
Die hier gewonnenen Ergebnisse werden am Ende der Unterrichtseinheit, nachdem untersucht wurde
wie viel CO2 ein Baum kompensiert, wieder aufgegriffen, um den Abschlussbericht zu verfassen.
12
Luftverschmutzung durch Pkw 13
2.3 Aufgabe 3 – Naturwissenschaften: Wie können Pflanzen den CO2 Ausstoß der
Autos wieder ausgleichen?
Während des Experiments werden die Schüler erste Erfahrungen mit der Fotosynthese machen. Das
Experiment macht die Fotosynthese sichtbar und kann daher das Interesse der Schüler für diesen
Vorgang wecken. Außerdem werden die äußeren Umstände, die den Prozess beeinflussen (hier:
Konzentration des CO2) untersucht. Während dieser Aufgabe werden die Schüler sich der Fotosynthese
ganzheitlich nähern.
Ziele dieser Aufgabe
Die Schüler gewinnen einen Einblick in und Verständnis über den Prozess der Fotosynthese. Die Schüler
lernen, dass Pflanzen CO2 zum Leben und Wachsen benötigen. Sie erfahren, dass sich durch Einwirkung
von Licht Kohlendioxid und Wasser zu Zucker verbinden und dass bei diesem Prozess Sauerstoff
freigesetzt wird.
Beitrag zur Ausgangsfrage
„Weshalb glaubst Du, interessiert sich ein Unternehmen für das Pflanzen von Bäumen?“ - ist eine der
übergeordneten Fragen. In dieser Aufgabe werden die Schüler diese Verbindung zwischen Autos und
Bäumen entdecken.
Naturwissenschaftlicher Inhalt
Der Prozess der Fotosynthese, CO2, Kohlenstoff speichernde Pflanzen
Schüleraktivität 1: Mit einer Wasserpflanze experimentieren
Führe das Experiment mit der Elodea canadensis (Kanadische Wasserpest)
durch und folge dabei den Anweisungen, die Dir von Deinem Lehrer gegeben
wurden.
Schreibe alle Ideen, Überlegungen, Erkenntnisse und alles was Dich sonst noch
während dem Experiment interessiert oder beschäftigt auf.
(siehe Arbeitsblatt 3.1)
Die Fotosynthese ist ein Prozess, in dem CO2, Wasser und Sonnenenergie kombiniert werden, um
Kohlenhydrate, Wasser und O2 zu produzieren. Normalerweise werden besondere Versuchsgeräte
benötigt, um diesen Prozess zu beobachten und zu messen. In der Regel findet man diese nicht in einem
Schullabor. Jedoch gibt es einige Pflanzen, in denen der Prozess auf den ersten Blick sichtbar ist und
grobe Messungen vorgenommen werden können.
13
Luftverschmutzung durch Pkw 14
In diesem Experiment werden die Schüler mit einer Wasserpflanze arbeiten: die Elodea canadensis. Der
erste Vorteil ist, dass kleine sichtbare Bläschen entstehen, wenn Sauerstoff produziert wird. Die
abgegebene Menge an Sauerstoff kann als Maß für die Fotosynthese genutzt werden.








Labormaterialien
Pflanze Elodea canadensis
Messbecher (250 mL)
Reagenzgläser (30 mm Ø)
Wasser
Natriumhydrogencarbonat-Lösung (10 % w/v =
Gewicht / Volumen)
Pinzetten
Cutter
Strohhalme
Sicherheitsverfahren
Folgende Sicherheitsanweisungen sollten
besprochen werden:
 Aufräumen von Resten
 Handhabung von Flüssigkeiten
 Handhabung von Feststoffen (wiegen) – (nur
wenn die Schüler die NaHCO3-Lösung selbst
vorbereiten)
 Sicherheitsdatenblatt von
Natriumhydrogencarbonat (CAS Nr.: 144-558)
In einigen Versionen dieses Experiments wird Backpulver verwendet, um die CO2 Konzentration zu
erhöhen. Wenn man diesen Weg verfolgt, muss man dabei bedenken, dass zusätzliche Blasen entstehen,
die entfernt werden müssen bevor das Experiment gestartet wird. Wir schlagen eine andere Möglichkeit
vor, um die CO2 Konzentration im Wasser zu erhöhen, nämlich das Ausatmen von Atemluft durch einen
Strohhalm.
Arbeitsblatt 3.1 gibt die Versuchsanweisungen.
Die Schüler können in Gruppen arbeiten. Nach dem Experiment tauschen sich die Schüler über ihre
Ergebnisse aus und diskutieren darüber. Der Lehrer moderiert und unterstützt Klassendiskussionen und
–überlegungen über den CO2 Verbrauch.
Schüleraktivität 2: Diskussion der Ergebnisse
 Was glaubst Du sind die Bläschen?
 Welches Gas wurde in den Reagenzgläsern gesammelt?
 Gab es bei der Anzahl der Bläschen große Unterschiede bei den drei
Experimenten?
(siehe auch Arbeitsblatt 3.2)
Am Ende erhalten die Schüler die Information, dass der beobachtete Prozess als Fotosynthese
bezeichnet wird.
Dieser Prozess kann unterschiedlich komplex beschrieben werden:
14
Luftverschmutzung durch Pkw 15

Stark vereinfacht (Licht + Wasser + Kohlendioxid  Traubenzucker + Sauerstoff )

durch eine nichtausgeglichene Gleichung mit einigen chemischen Symbolen (Licht + H2O + CO2
 Zucker + O2)

oder auch mit einer ausgeglichenen chemischen Gleichung (6 CO2 + 6 H2O + Photonen →
C6H12O6 + 6 O2).
An dieser Stelle ist es wichtig, sich einer häufigen Fehlvorstellungen der Schüler bewusst zu sein:
Nämlich, dass der in der Fotosynthese produzierte Sauerstoff direkt aus dem CO2- Molekül kommt.
Nach dieser Fehlvorstellung wird das CO2-Molekül während der Fotosynthese in zwei unterschiedliche
Teile gespalten wird: Die Kohlenstoff-Atome gehen „irgendwohin“ während die Sauerstoff-Moleküle in
die Atmosphäre entlassen werden. Dieses Missverständnis wird in der Regel durch vereinfachte
Formulierungen wie „Licht + Wasser + CO2  Zucker + O2“ verstärkt.
Wenn die Summengleichung als chemische Formel im Unterricht verwendet wird, ist es einfacher dieses
Missverständnis aufzulösen, als wenn die Gleichung nur verbal formuliert wird: Die Frage kann dann
lauten: „Aus welchen Ausgangsstoffen kann der von der Pflanze abgegebene Sauerstoff kommen?“ Die
Schüler erkennen anhand der chemischen Gleichung, dass die Quelle theoretisch sowohl CO 2 als auch
H2O sein kann. Tatsächlich stammt der abgegebene Sauerstoff aus dem Wasser. Dieser Sachverhalt
kann mit leistungsstarken und interessierten Schülern auch experimentell und anhand von chemischen
Gleichungen nachvollzogen werden, sollte aber im Rahmen der vorliegenden Einheit nicht zu
ausführlich thematisiert werden, da er nicht im Mittelpunkt des Erkenntnisinteresses steht.
Verschiedene weitere Missverständnisse können aufkommen, wenn die Schüler ihre Ideen präsentieren
(z.B., dass die Bläschen aus „Luft“ oder CO2 bestehen). Am Ende sollte klar sein, dass die Bläschen
hauptsächlich aus Sauerstoff bestehen und dass es einen Zusammenhang zwischen der Konzentration
des Kohlenstoffdioxids und der Fotosyntheserate, letztlich also der Menge an abgegebenem Sauerstoff
gibt.
Um die Diskussion und Argumentation in der Klasse zu fördern, stellen die Schüler die Ergebnisse im
Plenum vor.
Eine andere mögliche Strategie wäre, die Schüler ihre Ergebnisse auf einem „Wissenschaftlichen
Poster“ gestalten zu lassen und dann eine Poster-Ausstellung zu organisieren. Sie können die Schüler
auch eine kurze PowerPoint-Präsentation erstellen lassen, um ihre Ergebnisse zu präsentieren und
darüber
zu
15
diskutieren.
Luftverschmutzung durch Pkw 16
16
Luftverschmutzung durch Pkw 17
17
Luftverschmutzung durch Pkw 18
2.4 Aufgabe 4 – Naturwissenschaften und Mathematik: Welche Faktoren
beeinflussen die CO2 Menge, die eine Pflanze aufnehmen kann?
In der vorherigen Aufgabe haben die Schüler einen ersten Einblick in die Fotosynthese bekommen. Sie
haben einen Faktor untersucht, der die Fotosynthese beeinflusst, nämlich die Konzentration von CO2 in
der Umgebung der Pflanze. Jetzt ist es an der Zeit sich die anderen Variablen anzusehen, die die
Fotosynthese beeinflussen.
Ziele dieser Aufgabe

Identifizierung anderer Faktoren, welche die Fotosynthese beeinflussen könnten.

Veränderung der Fotosyntheserate, wenn sich die Lichtintensität ändert.

Qualitative Interpretation von Diagrammen.

Die Unterscheidung zwischen Fotosynthese und Photorespiration.

(Optional) Unterschiede zwischen C3 und C4 Pflanzen kennenlernen.
Beitrag zur Ausgangsfrage
Diese Aufgabe trägt zum tieferen Verständnis der Fotosynthese bei.
Mathematischer Inhalt

Qualitative Analyse von Diagrammen: Wachstum, Schnittpunkte mit den Achsen,
Extremstellen, Definitions- und Wertebereich.
Naturwissenschaftlicher Inhalt

Faktoren, die die Fotosynthese beeinflussen

Zusammenhang zwischen Lichtintensität und Fotosynthese

Pflanzentypen: C3 und C4 (optional)
Schüleraktivität 1: Faktoren, die die Fotosynthese beeinflussen
 Glaubst Du, dass die Menge an CO2 , die eine Pflanze aufnehmen kann
immer gleich ist?
 Wenn nicht, welche Faktoren könnten die Kapazität der Pflanzen CO2
aufzunehmen beeinflussen?
Es ist zu erwarten, dass die Schüler unter anderem Licht (Intensität), die zur Verfügung stehende Zeit
und die Größe der Pflanze in Betracht ziehen.
18
Luftverschmutzung durch Pkw 19
Die Schüler sollten mögliche Einflussfaktoren nicht nur nennen, sondern diese auch begründen.
Dadurch wird die Möglichkeit eröffnet, die Ideen zu diskutieren und mögliche Fehlvorstellungen
aufzudecken.
Mögliche Arbeitsformen für diese Phase:

In Kleingruppen werden mögliche Faktoren identifiziert

Die Ideen werden auf Post-its notiert, um sie dann der ganzen Gruppe zu präsentieren.

Zusammen mit dem Lehrer werden diese Post-its gruppiert und ähnliche Faktoren gebündelt.
Daraus können erste vorläufige Hypothesen gebildet werden.
Faktoren, die die Fotosyntheseleistung eines Baumes beeinflussen, und von Schülern benannt werden,
können unter anderem sein:

die Luftfeuchtigkeit

die Temperatur (bei hohen Temperaturen kommt es zu starker Transpiration und die Bäume
zeigen insbesondere bei trockenem Boden eine geringere Fotosyntheseleistung

die Bodenbeschaffenheit und –feuchtigkeit

die Lichtintensität

das Alter und der Gesundheitszustand der Bäume

Größe des Baumes und Menge der sowie Größe und Dicke der Blätter

…
Im Folgenden werden die Schüler einen der genannten Faktoren untersuchen: den Zusammenhang
zwischen der Lichtintensität und der Fotosynthese.
In Gruppen bearbeiten die Schüler Arbeitsblatt 4.1. Jedes Diagramm zeigt die Abhängigkeit der
Fotosynthese von der Lichtintensität und der Nettomenge an CO2, in μmole CO2 /m2s die von
verschiedenen Pflanzen gebunden wird. Die Daten wurden einer wissenschaftlichen Studie entnommen,
die von der Universität Sevilla veröffentlicht wurde.
Schüleraktivität 2: Lichtintensität und Fotosynthese
 Was sagen die Diagramme über die Abhängigkeit von “Lichtintensität –
CO2 Absorption” aus?
 Kannst Du die Diagramme in Gruppen ordnen? Erkläre, welche
Kriterien Du angewandt hast.
 Kannst Du erklären, was in den Pflanzen, die Du zusammen gruppiert
19
Luftverschmutzung durch Pkw 20
hast, im Bezug auf die Abhängigkeit von “Lichtintensität – CO2
Absorption” passiert?
 Weshalb gibt es auch negative Werte in den Diagrammen (vertikale
Achse)?
(siehe Arbeitsblatt 4.1)
Die Schüler können folgende Vermutungen äußern:
1. Die Fotosynthese hängt von der Lichtintensität ab.
2. Am Anfang steigen die Graphen steil an.
3. Nach einer gewissen Zeit verändert sich die Steigung: einige Arten zeigen ein asymptotisches
Verhalten. Bei anderen gibt es einen Maximalwert, bei höheren Lichtintensitäten nimmt die
Effektivität, CO2 zu binden, ab.
Optional besteht die Möglichkeit tiefer auf die Anatomie der Blätter eingehen, um diese beiden
verschiedenen unterschiedlichen Fotosynthesevarianten zu erklären. Weitere Informationen hierzu
finden Sie im Anhang.
20
Luftverschmutzung durch Pkw 21
21
Luftverschmutzung durch Pkw 22
22
Luftverschmutzung durch Pkw 23
2.5 Aufgabe 5 – Mathematik: Wie viel CO2 kann ein Baum binden? Modellieren der
Blattoberfläche
Ziele dieser Aufgabe

Das Bestimmen der Blattoberfläche einer Pflanze

Das Berechnen der CO2 Menge, die von einer Pflanze gebunden werden kann.
Beitrag zur Ausgangsfrage
Die Schüler haben bereits in Aufgabe 2 berechnet, wie viel CO2 von Autos ausgestoßen wird. Die
Bestimmung des CO2, das von Bäumen gebunden werden kann, ist die andere Seite der Medaille, um
zur übergeordneten Frage angemessen Stellung nehmen zu können.
Mathematischer Inhalt

Modellieren

Geometrische Umrisse und Formen

Oberfläche und Volumen
Naturwissenschaftlicher Inhalt

Physiognomie von Bäumen

Verschiedene Arten von Bäumen
Für die folgende Aufgabe sollten, wenn möglich, Bäume in der Umgebung der Schule ausgewählt
werden. Dabei ist es wichtig, dass ein Baum aus der Liste von Arbeitsblatt 5.1 gewählt wird, wenn kein
zusätzliches Material zur Verfügung steht. Als Alternative können die Schüler auch Bilder (z.B. aus dem
Internet) verwenden, um Überlegungen hinsichtlich der Blattoberfläche des Baumes anzustellen.
Schüleraktivität 1: Blattoberfläche eines Baumes
 Berechnet die Blattoberfläche dieses Baumes.
Folgende Lösungsansätze sind u.a. denkbar:
a) Das Modellieren der Oberfläche eines Baumes über die geometrische Form (Quader, Kugel,
usw.)
b) Das Modellieren der Oberfläche eines einzelnen Blattes und das Schätzen der Blätteranzahl
eines Baumes.
23
Luftverschmutzung durch Pkw 24
Mit dem so ermittelten Wert können die Schüler anschließend berechnen, wie viel CO2 ungefähr von
einem Baum gebunden werden kann.
Schüleraktivität 2: CO2 - Verbrauch
 Berechne wie viel CO2 von einem Baum pro Tag (Monat/Jahr/in seinem
gesamten Leben) gebunden werden kann.
(siehe Arbeitsblatt 5.1)
Daten der Fotosynthese-Rate verschiedener Pflanzenarten sind auf Arbeitsblatt 5.1. angegeben.
24
Luftverschmutzung durch Pkw 25
2.6 Aufgabe 6 – Abschlussaufgabe: Zurück zur Ausgangssituation
In dieser Abschlussaufgabe bewerten die Schüler die Werbung des Automobilherstellers basierend auf
dem von ihnen gesammelten Wissen über die Fotosynthese und CO2-Emission durch Autos. Zwei
Aussagen der Internetseite des Automobilherstellers werden dabei genauer untersucht und deren
Richtigkeit entweder bestätigt oder widerlegt.
Ziele dieser Aufgabe

Analysieren und Beurteilen der Informationen des Automobilhersteller mit wissenschaftlichen
Argumenten

Diskussion der Situation mit Hilfe von wissenschaftlichen Argumenten und Daten.
Beitrag zur Ausgangsfrage
In dieser Aufgabe werden die Schüler das angeeignete Wissen und die berechneten Daten verwenden,
um die Eingangssituation zu bewerten. Sie erstellen einen Bericht, um die folgende Frage zu
beantworten: Trägt das Programm, so wie es auf der Internetseite des Automobilherstellers
dargestellt wird, wirklich dazu bei, die CO2-Emissionen des eigenen Neuwagens zu kompensieren,
oder handelt es sich dabei lediglich um eine Werbestrategie?
Mathematischer Inhalt

Modellieren (hauptsächlich Interpretieren und Bewerten)

Proportionalität
Naturwissenschaftlicher Inhalt

CO2-Emission

Bindung von Kohlenstoff

Fotosynthese
In Aufgabe 2 haben die Schüler berechnet wie viel CO2 ein Auto pro Kilometer ausstößt. Nach Aufgabe
5 wissen sie, wie viel CO2 ein Baum binden kann.
Wenn Sie Aufgabe 5 ausgelassen haben, sollten Sie den Schülern die folgende Tabelle geben. In dieser
Tabelle wurde die Fotosynthese-Rate für verschiedene Baumarten berechnet Dabei wurde für die
Biomasse und Blattoberfläche ein Durchschnittswert abgeschätzt. Dementsprechend können die
Zahlen für kleinere oder größere Bäume erheblich variieren.
25
Luftverschmutzung durch Pkw 26
Netto-Rate der Fotosynthese (g CO2 pro Tag)
Pflanze
Winter
Frühjahr und
Herbst
Sommer
Falscher Christusdorn (Gleditsia triacanthos)
0
3,2
3,3
Silberpappel (Populus alba)
0
1,9
1,6
Olivenbaum(Olea europaea)
1,03
1,8
1,6
0
66
53
0,8
1,2
1
Bitterorange (Citrus aurantium)
1
1,8
1,5
Steineiche (Quercus ilex)
9
15
17
Aleppo-Kiefer (Pinus halepensis Mill.)
74
149
171
Pinie (Pinus pinea)
44
85
88
Korkeiche (Quercus suber)
7,6
14,4
14,1
Kirschpflaume
pisardii)
(Prunus
cerasifera
var.
Lorbeerbaum (Laurus nobilis)
Schüleraktivität 1: Beurteilung der ersten Aussage.
 Auf der Internetseite des Herstellers steht: „Ein Baum gratis. Dieser
Baum wird den CO2 Ausstoß auf den ersten Kilometern der Nutzung
kompensieren.“ Ist das möglich?
Schüleraktivität 2: Beurteilung der zweiten Aussage.
 Auf der Internetseite des Herstellers steht: „“CO2-neutral-Paket“ auf
Wunsch. Zwischen 9 und 14 Bäume werden gepflanzt, um die
Umweltverschmutzung zu kompensieren, die Ihr Auto auf 20.000km
verursacht wird“. Ist das möglich?
Die Schüler können ihre Ergebnisse auf einem Poster darstellen und anschließend im Plenum
präsentieren. Eine Diskussion über die Aussagen und ihren Wahrheitsgehalt schließt sich an.
Einige Überlegungen zu den Endergebnissen der Schüler:
 Möglicherweise denken einige Schüler, dass die Berechnungen nicht möglich sind, da alle
gepflanzten Bäume nicht denjenigen entsprechen, mit denen sie ihre Berechnungen anstellen.
Außerdem könnten sie einwenden, dass die Bäume in den ersten Jahren sehr klein sind. Dies
26
Luftverschmutzung durch Pkw 27
ist eine gute Gelegenheit, die Qualität der Annäherung und den modellhaften Charakter
Berechnungen zu besprechen. Dabei sollte besprochen werden, dass derartige Annäherungen
(Modellierungen) der einzige Weg sind, um zu Aussagen hinsichtlich dieser Fragestellung zu
kommen.
 Je nach ausgewähltem Baum könnten die Schüler zu ganz unterschiedlichen Einschätzungen
der Aussagen oben kommen (insbesondere, wenn sich einige für das Pflanzen der AleppoKiefer entscheiden). Dies ist eine gute Gelegenheit das Problem der Artenvielfalt und Ökologie
aufzugreifen. Der Wald liegt im Süd-Osten Spaniens, einer Region mit mediterranem Klima
(mediterraner Wald). Die Auswahl der Bäume war daher kein Zufall. In mediterranen Wäldern
gibt es lediglich fünf typische Bäume: Olivenbaum, Steineiche, Aleppo-Kiefer, Pinie und
Korkeiche. Die Probleme der Artenvielfalt und der Anpassung der Bäume an ihre Umgebung
können in der Diskussion eingeführt werden.
27
Luftverschmutzung durch Pkw 28
Anhang I: Zusatzinformationen - Aufgabe 4
Hintergrundinformationen zum Kontext und Inhalt
In den Diagrammen:

Die horizontale Achse entspricht der Lichtintensität, welche in μmole Photonen pro
Quadratmeter und Sekunde gemessen wurde. Die Skala reicht von 0 (Nacht) bis zu 2500 μmole
Photonen/m2s (Die maximale Intensität gegen Mittag).

Die vertikale Achse entspricht der Nettomenge an CO2, die pro Quadratmeter dieser Pflanze in
einer Sekunde gebunden wird. Sie wird in μmole CO2 /m2s gemessen. Das heißt, dass die
Photorespiration ebenfalls berücksichtigt wurde, was erklärt, dass die Diagramme bei geringer
Lichtintensität eine negative CO2 Menge aufzeigen.
Das Arbeiten mit diesen Einheiten kann für die Schüler schwierig sein. Deshalb wurde in den Karten
(Material-Teil) die Skala an der horizontalen Achse gelöscht und eine qualitative Beschreibung (von
keinem Licht bis zur maximalen Intensität während des Tages) empfohlen. Die Einheiten der
horizontalen Achse gelöscht wurden ebenfalls gelöscht.
Eine weitere wichtige Anmerkung ist, dass es zwei unterschiedliche Diagrammtypen, entsprechend der
Pflanzenarten gibt:

C3 Pflanzen, bei denen die Absorption von CO2 bei hohen Lichtintensitäten wieder abnimmt (auf
Grund der sich schließenden Stomata (Blattöffnungen), um den Wasserverlust zu minimieren).

C4 Pflanzen, welche die CO2 Absorption bis zu einem gewissen Punkt der Sättigung steigern,
aber nie vermindern (auf Grund ihrer speziellen Blattanatomie, welche sie in trockenen
Umgebungen sowie bei hohen Temperaturen effizienter macht).
28
Herunterladen

2. Beschreibung der Unterrichtseinheit