Unterrichtsmaterialien zum Thema „Wetter“

Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main
Fachbereich Didaktik der Physik
Zulassungsarbeit zur ersten Staatsprüfung für das Lehramt an
Grundschulen
Unterrichtsmaterialien zum Thema
„Wetter“ im Sachunterricht der
Grundschule
Aufbereitung für die Internetplattform SUPRA
Melanie Hoffmann
Betreuer:
Prof. Dr. rer. nat. habil. Thomas Wilhelm
Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner
In der folgenden Arbeit werden Nennungen einzelner Personengruppen zur
Vereinfachung des Leseflusses stets in männlicher Form benannt. In allen Fällen sind gleichermaßen Personen weiblichen und männlichen Geschlechts gemeint. Mit dieser Formulierung verbindet sich keinerlei Wertung irgendeines
Geschlechts.
Sofern im Verlauf der Arbeit keine weiteren Quellen für Fotografien und Illustrationen angegeben sind, sind sie von mir [Melanie Hoffmann] erstellt worden.
II
Inhaltsverzeichnis
1.
Zielsetzung.................................................................................................. 1
1.1.
2.
Internetplattform SUPRA .................................................................... 2
Theoretischer Hintergrund .......................................................................... 2
2.1.
Wetter ................................................................................................... 3
2.1.1.
Atmosphäre ................................................................................... 4
2.1.2.
Wetterelemente und ihre Messung ............................................... 8
2.2.
Strahlung der Sonne ........................................................................... 13
2.2.1.
Astrophysikalische Grundlagen .................................................. 15
2.2.2.
Jahreszeiten ................................................................................. 17
2.3.
Wind und Luft .................................................................................... 19
2.3.1.
Statischer Auftrieb ...................................................................... 19
2.3.2.
Land- und Seewind ..................................................................... 22
2.3.3.
Wolken........................................................................................ 23
2.3.3.1.
2.4.
Wasser und Niederschläge ................................................................. 26
2.4.1.
Verdunstung................................................................................ 27
2.4.2.
Kondensation .............................................................................. 28
2.4.3.
Niederschlag ............................................................................... 28
2.4.4.
Wasserkreislauf........................................................................... 28
2.5.
3.
Entstehung von Wolken .......................................................... 23
Treibhauseffekt und Ozon.................................................................. 29
Didaktische Überlegungen........................................................................ 30
III
3.1.
Naturwissenschaften in der Grundschule ........................................... 30
3.2.
Wetter im Sachunterricht ................................................................... 33
3.3.
Schülervorstellungen .......................................................................... 34
4.
Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts ............................................................................... 36
4.1.
Einheit 1: Das Wetter – Eine Einführung .......................................... 41
4.2.
Einheit 2: Strahlung der Sonne .......................................................... 46
4.3.
Einheit 3: Luft und Wind ................................................................... 59
4.4.
Einheit 4: Wasser und Niederschlag .................................................. 75
4.5.
Einheit 5: Treibhauseffekt und Ozon ................................................. 83
4.6.
Fächerübergreifendes ......................................................................... 84
5.
Ausblick .................................................................................................... 86
6.
Anhang...................................................................................................... 87
7.
Literaturverzeichnis ................................................................................... V
8.
Eigenständigkeitserklärung........................................................................ X
9.
Tabellen- und Abbildungsverzeichnis ...................................................... XI
10.
Danksagung ........................................................................................ XIV
IV
1 Zielsetzung
1. Zielsetzung
Das Wetter ist in unserem täglichen Leben allgegenwärtig. Jeder Mensch hat
mit dem Wetter als einen momentanen Zustand bereits Erfahrungen gemacht.
Es ist für alle spürbar und sichtbar. Doch nur wenige können Wetterphänomene
erklären und verstehen. Mein Anliegen ist es, bereits den Schülern der Grundschule zu verdeutlichen, in welchen Zusammenhängen die einzelnen Thematiken im Bereich des Wetters stehen und inwieweit sich das Wettergeschehen
beeinflusst. Diese Themenbereiche sollen damit sinnvoll verbunden und motivierend gestaltet sein. Das Zusammenwirken von verschiedenen Faktoren wird
von einem Teilgebiet der Geowissenschaften, der Meteorologie (griechisch:
Lehre der Himmelserscheinungen) untersucht und aufgrund der Komplexität
und des Umfangs zumindest teilweise erklärt.
Viele Themen werden in der Grundschule maximal aus biologischer Perspektive behandelt und lassen andere naturwissenschaftliche Sichten kaum zu1. So
möchte ich mit meiner Arbeit physikalische und chemische Hintergründe im
Bereich des Wetters für die Lehrkräfte erklären und darüber hinaus Unterrichtsmaterial erstellen, das im Grundschulunterricht eingesetzt werden kann.
Die vorliegende Arbeit ist in drei Abschnitte unterteilt: Im ersten Teil werden
die theoretischen Hintergründe (Kapitel 1 und 2) zu den Einzelthemen gegeben, damit das Verständnis der Zusammenhänge ermöglicht ist. Für die Kinder
werden die Erklärungen vereinfacht und an Experimenten verdeutlicht. Es folgen im zweiten Teil didaktische Überlegungen zum Thema „Wetter“ in der
Grundschule (Kapitel 3). Der dritte Teil der Arbeit, der das 4. Kapitel umfasst,
bietet verschiedene Unterrichtsvorschläge. Anschließend daran folgt das erstellte Unterrichtsmaterial im Anhang, das nach Abschluss der Arbeit auch auf
der Internetplattform SUPRA zu finden sein wird.
Meine Arbeit baut auf einer schriftlichen Hausarbeit im Rahmen des Ersten
Staatsexamens von Katrin Olk auf. Diese heißt „Unterrichtsvorschläge zum
Thema Wetter in der Grundschule“2. Im Folgenden werden Teile aus ihrer Arbeit in Form von Gedanken- und Ideenansätzen übernommen und dementspre1
2
vgl. Heran-Dörr; Kahlert; Wiesner (2007), S. 1
Olk (2012): Unterrichtsvorschläge zum Thema Wetter in der Grundschule
1
2 Theoretischer Hintergrund
chend gekennzeichnet. Meine theoretische Auseinandersetzung mit dem fachlichen Hintergrund bezüglich des Wetters ist intensiver und umfangreicher. Das
Unterrichtsmaterial ist von mir in Gänze überarbeitet und aufbereitet worden.
1.1. Internetplattform SUPRA
Die Internetplattform SUPRA ist eine Möglichkeit für Lehrkräfte, fachdidaktisch reflektierte Materialien zu erhalten. Die von mir erstellten Arbeitsmaterialien werden nach Abschluss der Arbeit ebenso auf die Internetplattform SUPRA gestellt, sodass Grundschullehrkräfte, bei denen eine Distanz zu physikalischen Inhalten bekannt ist und oftmals ebenso eine fachdidaktische Ausbildung
fehlt, diese Materialien nutzen können. Zudem werden die Schülervorstellungen für die Unterrichtsvorschläge berücksichtigt. SUPRA bietet nicht lediglich
Arbeitsblätter und Experimente, sondern ebenso eine Einbettung diverser Möglichkeiten in das Gesamtkonzept.3 Ebenso wie in dieser Arbeit werden auf der
Internetseite Sachinformationen für die Lehrkraft, fachdidaktische Informationen, Ziele, Vorbereitungen, Ideen zum möglichen Unterrichtsverlauf und eben
vor allem Unterrichtsmaterial zu finden sein. Die Unterrichtsvorschläge sind in
erster Linie an die Primarstufe gerichtet. Mit der Aufbereitung des Themas
Wetter für den Grundschulunterricht möchte ich physikalisches Wissen für
Lehrkräfte und Schüler verständlich darstellen. In Gesprächen mit anderen
Lehrkräften wurde deutlich, dass die Physik im Sachunterricht oft nicht behandelt wurde, da sie Angst hatten, physikalisches Fachwissen falsch zu unterrichten. Auch diesem Konflikt soll mit vielen Informationen zum Fachwissen und
zur Fachdidaktik entgegengewirkt werden. So ist es möglich, die Haltung sowohl von Lehrkräften als auch von Schülern zum Fach Physik zu verändern.4
Es soll verdeutlicht werden, dass die Physik ein sehr interessanter Bereich ist
und ebenso nötig ist, um die Umwelt zu verstehen.
2. Theoretischer Hintergrund
Die folgenden Erläuterungen dienen dem fachlichen Hintergrund für die Lehrkraft zur Ausführung der Unterrichtseinheiten. Elementarisierungen der
Fachinformationen für Grundschüler werden im dritten Teil aufgenommen.
3
4
vgl. Heran-Dörr, Kahlert & Wiesner (2008), S. 1
vgl. ebd. S. 242
2
2 Theoretischer Hintergrund
2.1. Wetter
Das Wetter beschreibt den „Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten
Zeitpunkt an einem bestimmten Ort“.5 Eine Vielzahl an meteorologischen Parametern entscheidet über das Wetter, etwa die Einwirkung durch die Sonne
oder die Bewölkung (Art und Anzahl), sowie Niederschläge. Des Weiteren
gehören Temperatur, Luftfeuchtigkeit (Feuchte) und Luftdruck, Windgeschwindigkeit und Windrichtung dazu. Abzugrenzen ist der Begriff des Wetters von der Witterung und dem Klima6: Die Witterung beschreibt einen bestimmten Charakter des Wetterablaufs im Zeitraum von einigen Tagen bis hin
zu ganzen Jahreszeiten.7 Werden Wetterphänomene mithilfe von statistischen
Verfahren über Jahre hinweg beobachtet, können Aussagen über die mittleren
und typischen meteorologischen Verhältnisse getroffen werden, dem Klima.
Dazu gehören „Mittelwerte und deren Standardabweichungen, absolute und
mittlere Maximum- und Minimumwerte, Schwellenwerte, Kälte- und Wärmesummen, Häufigkeitsverteilungen sowie mittlere und extreme Tages- und Jahresabläufe.8
Der Durchschnittswert, der aus vielen verschiedenen Werten einen neuen Wert
ergibt, heißt Mittelwert. Mittlere Werte hingegen stellen einen Wert in der Mitte einer Datenreihe dar. Von Interesse sind daher neben den aktuellen Temperaturwerten weiterhin Höchst- und Tiefstwerte.
Zeitspanne
Wetter
Stunden bis Tage
Witterung
Tage bis Monate
Klima
≥ 30 Jahre
Tabelle 1: Darstellung der Zeiträume von Wetter, Witterung und Klima
5
s. Wetter und Klima (2009), S. 349
Der Begriff Klima (griechisch: klíma bzw. klímatos) heißt übersetzt „Neigung“, was auf den
Einstrahlungswinkel der Sonne hinweist. Durch die verschiedenen Winkel erwärmt sich die
Erdoberfläche unterschiedlich. (Dieses Phänomen wird im weiteren Verlauf mit einem Experiment verdeutlicht.)
7
vgl. Wetter und Klima (2009), S.368
8
s. Häckel (2012), S. 316
6
3
2 Theoretischer Hintergrund
Die Beobachtungen von ähnlichen meteorologischen Daten in bestimmten Gebieten über einen längeren Zeitraum führten dazu, dass sie zu bestimmten Klimazonen zusammengefasst wurden: Tropen, Subtropen, hohe bzw. gemäßigte
Mittelbreiten/Zone und Polargebiete.
2.1.1. Atmosphäre
Allgemein ist die Atmosphäre die Gashülle, die einen Stern oder einen Planeten umgibt.9 Sie ist für die Erde der Ausgangspunkt aller Wetter- und Klimaverhältnisse. Eine Voraussetzung, dass ein Himmelskörper eine Atmosphäre
besitzt, ist eine entsprechende Größe, um eine ausreichende Anziehungskraft
auf die Gasteilchen ausüben zu können, damit diese nicht in den Weltraum
entweichen können. Eine weitere Voraussetzung ist die Temperatur an der
Oberfläche des Himmelskörpers. Durch eine zu hohe Temperatur wäre es theoretisch möglich, dass das Gas entfliehen kann. Der Grenzwert für diese Temperatur ist bei jedem Himmelskörper unterschiedlich. Ein großer Körper mit hoher Gravitation ermöglicht eine höhere Temperatur, bevor die Gasteilchen entfliehen könnten. Zudem muss das Verhalten der verschiedenen Gase berücksichtigt werden: Moleküle, die ein geringeres Molekulargewicht haben als andere und sich damit schneller bewegen als andere Teilchen (Beispiel: Helium
und Wasserstoff), können eher dem Einfluss der Gravitationskraft entkommen.
Schwerere Moleküle wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid bewegen
sich im Vergleich zu Sauerstoff und Helium langsamer und werden zudem von
der Gravitationskraft des Planeten stärker angezogen.10 Die Atmosphäre hängt
eng mit der Entstehung der Erde zusammen. Sie hat sich im Laufe von 4,6
Mrd. Jahren von Grund auf in ihrer chemischen Zusammensetzung immer wieder geändert. Durch das unterschiedliche Zusammenwirken der Atmosphäre,
der Sonne und dem Wasser haben sich verschiedene Veränderungen ergeben,
die sich maßgeblich auf das Wetter und auf das Klima auswirken.
Die Atmosphäre setzt sich aus einem Gemisch verschiedener Gase zusammen.
Ebenso enthalten sind Wasserdampf, Wassertröpfchen und Eispartikel (Hydrometeore), letztere beobachten wir als Wolken und Niederschlag. Weiterhin
enthält die Atmosphäre flüssige bzw. feste Partikel (z.B. Salzkriställchen), die
9
vgl. Wetter und Klima (2009), S. 23
s. Häckel (2012), S. 18
10
4
2 Theoretischer Hintergrund
Aerosole. Die Konzentration einiger Gase sind von den Menschen beeinflusst
worden, was eine Bedeutung für das Klima (z.B. Treibhauseffekt, siehe Kapitel
2.5) und für die Qualität der Luft hat. Die schädlichen Fluorkohlenwasserstoffe
(FCKW) sind erst durch die Menschen in die Atmosphäre gelangt.
Die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre ergibt sich wie folgt:
Zusammensetzung der Erdatmosphäre
Argon 0,93%
Kohlendioxid
0,03%
Sonstiges 0,04%
Stickstoff
Sauerstoff 21%
Sauerstoff
Argon
Stickstoff 78%
Kohlendioxid
Sonstiges
Abbildung 1: Zusammensetzung der Erdatmosphäre
Die Atmosphäre erstreckt sich von der Oberfläche aus rund 2400 km ins Weltall hinein und besteht aus mehreren Schichten: Nahe an der Erdoberfläche befindet sich die Troposphäre (0-20 km Höhe). Sie endet mit der Tropopause,
bei der die ozonbedingte Schichtung beginnt.11 Die Stratosphäre reicht etwa
von 20 bis 50 km, in der auch keine Wolken mehr auftreten. Das ist so, da die
„wärmere Stratosphäre wie ein Deckel auf der kälteren Troposphäre liegt“.12
Die Stratosphäre wird auch als Ozonschicht bezeichnet, da sich ca. 90 % des
Ozons dort befinden. Das Ozon (O3) bildet sich unter dem Einfluss der Sonne
(kurzwellige UV-Strahlung) aus molekularem Sauerstoff. Durch die Absorption von UV-Strahlen zerfällt das Ozon immer wieder. Sauerstoffmoleküle lagern sich jedoch wieder an frei gewordene Sauerstoffatome an. Es besteht ein
Gleichgewicht zwischen Entstehung und Zerfall von Ozon. Die Ozonschicht ist
für uns besonders wichtig, da sie den größten Teil der UV-Strahlung absorbiert
11
12
vgl. Häckel (2012), S. 59
s. Crummenerl (2010), S. 5
5
2 Theoretischer Hintergrund
und damit verhindert, dass diese Strahlung in vollem Umfang auf die Erde gelangt. Außerdem spielt das Ozon noch eine weitere wichtige Rolle, da es den
Wärmehaushalt der Erde kontrolliert: Bei der Strahlungsabsorption wird
gleichzeitig Strahlungsenergie in Wärmeenergie umgewandelt. Daraus folgt
eine Temperaturzunahme in der Stratosphäre. Würde sich der Ozongehalt in
der Stratosphäre vermindern und erhöhen, hätte dies weitreichende Folgen für
das Klima auf der Erde. Ozon kann auch in Bodennähe entstehen und zu Smog
führen. Dieses entsteht in Gebieten mit hoher Abgasbelastung. Das Ozon in der
Stratosphäre ist jedoch für den Wärmehaushalt auf der Erde zwingend notwendig.13
Die Mesosphäre reicht von etwa 50 bis 80 km, die Thermosphäre von 80 bis
500 km und ab etwa 500 km spricht man von der Exosphäre. Die Troposphäre
und die Stratosphäre enthalten über 99 Prozent der Luftmasse der Atmosphäre.
Darüber hinaus ist die Luftdruck so gering, dass nicht mehr von Luft gesprochen werden kann.14 Das Wetter spielt sich jedoch ausschließlich in der untersten Sphäre, der Troposphäre ab.
Die Ionosphäre15 erstreckt sich über mehrere Stockwerke, angefangen mit der
Mesosphäre bei 60 km Höhe, über die Thermosphäre, bis zu der Exosphäre in
etwa 1000 km.16 Die Ionisierung der vorhandenen Gase erfolgt bereits „in den
unteren Schichten der Atmosphäre durch kosmische Strahlung und die Strahlung radioaktiver Elemente der obersten Bodenschicht“.17 In höheren Schichten
kommt die Ultraviolettstrahlung der Sonne hinzu, die durch die Ionisierung
bewirkt, dass dort Radiowellen reflektiert oder absorbiert werden.
Die Höhenangaben der verschiedenen Sphären sind innerhalb der Literatur
unterschiedlich angegeben. Die genannten Daten sind aufgrund der nachvollziehbaren Daten (insbesondere für Kinder) dem WAS-IST-WAS-Buch von
CRUMMENERL (2010) entnommen.18
13
vgl. Häckel (2012): S. 30f.
s. Crummenerl (2010), S. 5
15
vgl. Deutscher Wetterdienst
16
vgl. Wetter und Klima (2009), S. 151
17
s. ebd., S. 151
18
s. Crummenerl (2010), S. 5
14
6
2 Theoretischer Hintergrund
Eine Übersicht der beschriebenen Sphären bietet die folgende Übersicht, ebenso aus dem genannten WAS-IST-WAS-Buch von CRUMMENERL entnommen. Diese Übersicht ist insbesondere für Kinder geeignet und ansprechend.
Abbildung 2: Schichten der Erdatmosphäre
Abbildung 3: 19Atmosphäre (vereinfacht)
Nicht alle Himmelskörper haben eine Atmosphäre, z.B. der Erdmond. Dieser
ist kleiner als die Erde. Der Mond besitzt nur etwa 17% der Anziehungskraft
im Vergleich zur Erde. Es gibt dort keine Atmosphäre, die ein Leben ermöglicht.
Die sonnenbeschienende Seite der Erde wird in Extremfällen wärmer als 40°C,
auf dem Mond wird hingegen eine Temperatur bis zu 130°C erreicht.20 Diese
19
s. Undorf (2011): S. 12
7
2 Theoretischer Hintergrund
Ansicht ist hierbei sehr vereinfacht und knapp dargestellt, tatsächlich handelt
es sich dabei um einen nicht vollständig geklärten und komplizierten Sachverhalt.
Zusammenfassend gilt damit, dass in der Troposphäre das ganze Wettergeschehen stattfindet.
2.1.2. Wetterelemente und ihre Messung
Meteorologische Elemente beschreiben den Zustand der Atmosphäre oder ihre
Vorgänge. Dazu gehören Strahlung, Temperatur, Luftdruck, Wind, Wolken,
Luftfeuchtigkeit, Bodenzustand und Verdunstung. Diese Elemente werden im
Folgenden erklärt. Zudem wird beschrieben, wie diese Erscheinungen gemessen und ausgewertet werden können.
Temperatur
Der Begriff der Temperatur kann wie in SUPRA ausgeführt, in Anknüpfung an
das Empfinden für warm und kalt eingeführt werden.
Es besteht ein Zusammenhang zwischen der Temperatur eines Körpers und der
Bewegungsintensität der Atome bzw. Moleküle. Ist die Bewegung der Atome
stärker, umso wärmer ist der Gegenstand, sind sie schwächer, ist der Körper
kälter. Bei einer Temperaturerhöhung eines Festkörpers bleiben die „Gitterbausteine“ prinzipiell an ihrer Position, bewegen sich in ihrem Raster jedoch mehr.
Ähnlich verhält sich dies auch in flüssigen Stoffen. In Gasen bewegen sich die
Teilchen jedoch noch schneller.21
Für die Temperatur wird am häufigsten die für uns gebräuchlichste Skala, nämlich Celsius (°C) verwendet. Sie ist nach dem Gefrierpunkt (0°C) und dem Siedepunkt (100°C) des Wassers unter Normaldruck (1013,2 mbar) definiert.
Dennoch wird man die Angabe der Temperatur auch gelegentlich in Fahrenheit
(°F) finden. Eine weitere Skala wird in Kelvin (K) angegeben. Dieser wird
heutzutage hauptsächlich in der Physik verwendet. Der absolute Nullpunkt
20
vgl. Häckel (2012), S. 18
vgl. SUPRA [http://www.supra-lernplattform.de/index.php/lernfeld-natur-und-technik/warmkalt/sachinformationen-fuer-die-lehrkraft; Zugriff: 23.03.2014]
21
8
2 Theoretischer Hintergrund
liegt bei 0 K ≙ 273,15°C. Eine Umrechnung von Kelvin zu °C funktioniert wie
folgt: K = °C + 273,15.
Ein Temperaturunterschied wird durch folgende Effekte deutlich:

Ausdehnung von Flüssigkeiten und festen Körpern

Änderung des elektrischen Widerstands

Thermoelektrischer Effekt bzw. Seebeck-Effekt
(Zwischen zwei Kontaktpunkten zweier unterschiedlicher elektrischer
Leiter, die eine verschiedene Temperatur haben, entsteht eine elektrische Spannung. Diesen Effekt hat Thomas Johann Seebeck entdeckt.)

Strahlungsemission nach dem Planckschen Gesetz
(Jeder Körper, dessen Temperatur sich nicht beim absoluten Nullpunkt
befindet, sendet elektromagnetische Strahlung aus, die im Verhältnis
zur Temperatur und zur Wellenlänge steht. Die messbare, absorbierte
Strahlungsleistung ist direkt proportional zu T4. Damit kann von der
gemessenen Strahlungsleistung auf die Temperatur des abstrahlenden
Gegenstandes geschlossen werden.22)
Dieses Basiswissen ist nützlich, um Temperaturänderungen zu verdeutlichen.
23
Eine Ausdehnung von Flüssigkeiten ist sichtbar an einem Thermometer mit
Alkohol: Bei einem Temperaturanstieg steigt die Flüssigkeit in der engen Kapillare empor. Mithilfe einer daran angebrachten Skala kann die Temperatur
abgelesen werden.
Niederschlag
Der Niederschlag wird in Millimetern (mm) Niederschlagshöhe pro Quadratmeter angegeben. Ein Niederschlagsmesser ist in vereinfachter Form ein Behältnis, das den jeweiligen Niederschlag auffängt. Diese Menge wird in einem
Messzylinder gemessen. Trotz des recht einfachen Verfahrens ist es möglich,
dass dabei Messfehler entstehen. Darum muss darauf geachtet werden, dass
eine bestimmte Entfernung vom Niederschlagsmesser zu Hindernissen, wie
Bäumen oder Sträucher vorhanden ist. Auch Verdunstungsprozesse und andere
derartige Beeinflussungen spielen dabei eine Rolle. Im amtlichen Klimanetz
22
23
vgl. Wetter und Klima (2009), S. 256
vgl. Häckel (2012), S. 375
9
2 Theoretischer Hintergrund
wird der Niederschlag jeden Tag um 7 Uhr abgelesen, um möglichst gute und
vergleichbare Ergebnisse zu bekommen. Es gibt verschiedenartige Niederschläge. Eine ausführlichere Darstellung ist in Kapitel 2.4.3. zu finden.
Sonnenstrahlung
Bei der Sonnenstrahlung ist die Strahlungsintensität (W/m²) und die Sonnenscheindauer (in Stunden) zu messen. Die Intensität wird mit einem Pyrometer
gemessen. Diese „bestehen aus einer geschwärzten Thermosäule aus mehreren
Thermoelementen, die einen Wärmestrom erzeugen, dessen Stärke ein Maß für
die Strahlungsintensität ist“.24 Die Sonnenscheindauer gibt an, wie lange die
Sonne an einem bestimmten Punkt an den einzelnen Tagen des Jahres über
dem Horizont stehen kann (Horizontvermessung).25 Die tatsächliche Sonnenscheindauer wird mit einem Sonnenscheinautographen gemessen und aufgezeichnet.
Luftdruck
Der Luftdruck ist der Druck, der in der Lufthülle der Erde herrscht. Er kommt
zustande durch die Gravitationskraft, die die Erde auf die Lufthülle ausübt.
Gemessen wird diese mithilfe eines Barometers und in Hektopascal (1 hPa = 1
mbar = 105N/m2) angegeben. Der Luftdruck hängt von der Höhe (vom Meeresniveau aus betrachtet) ab, mit der Höhe nimmt er ab. In 3000 m über dem Meeresspiegel ist er auf 68% gesunken.
Luftfeuchtigkeit
Für die Messung der Luftfeuchtigkeit gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eines davon ist das Hygrometer.
Es misst die relative Luftfeuchte der Luft oder allgemein von Gasen. Durch eine Luftfeuchtigkeitsänderung folgt beispielsweise bei einem Haarhygrometer
eine Längenänderung des Haars, die durch ein Hebelsystem eine Anzeige auf einer Skala bewirkt.26
Abbildung 4: Haarhygrometer
24
s. Wetter und Klima (2009), S. 263
vgl. Häckel (2012): S. 403
26
s. Wetter und Klima (2009), S. 149
25
10
2 Theoretischer Hintergrund
Verdunstung
Die Verdunstung ist eine sehr unsichere meteorologische Größe. Die Menge
des verdunsteten Wassers kann in einer Verdunstungspfanne direkt in mm abgelesen werden. Bei anderen Messgeräten wird das Gewicht der wassergefüllten Schale gemessen. Die Ergebnisse der unterschiedlichen Messvariationen
sind untereinander nicht vergleichbar.27
Wind
Der Wind hat eine Windrichtung und ebenso eine Windgeschwindigkeit. Die
Windrichtung wird überwiegend mit einer Windfahne oder mithilfe eines Schalenkreuzanemometers angegeben.
Abbildung 5: Schalenanemometer28
Die Richtungsangabe erfolgt in Grad (Osten = 90°, Süden = 180°, Westen =
270° und Norden = 360°) Die Windgeschwindigkeit wird in verschiedenen
Maßen angegeben, wie z.B. in Meter pro Sekunde (m/s) oder Kilometer pro
Stunde (km/h). Die Windstärke bezeichnet die Stärke des Windes in Bodenoder Wasseroberflächennähe (ca. 10 m Höhe). Sir Francis Beaufort hat Windwirkungen beobachtet und diese in verschiedene Stufen unterteilt. Die Beaufort-Skala ist in 13 (0 – 12) Grade unterteilt. Diese 13-stufige Skala orientiert
sich an den sichtbaren Auswirkungen des Windes auf dem Land bzw. auf See
an.
27
28
vgl. Häckel (2012), S. 395
s. ebd. S. 397
11
2 Theoretischer Hintergrund
Windstärke
Geschwinschwindigkeit in
km/h
0 Windstille
bis 1
1 leichter Zug
1–5
2 leichte Brise
6 – 11
3 schwache
Brise
12 – 19
4 mäßige Brise
20 – 28
5 frische Brise
29 – 38
6 starker Wind
39 – 49
7 steifer Wind
50 – 61
8 stürmischer
Wind
62 – 74
9 Sturm
75 – 88
10 schwerer
Sturm
89 – 102
Auswirkungen an
Land
Rauch steigt senkrecht
auf
Rauch zieht leicht ab,
Windfahne bleibt unbewegt
Wind im Gesicht fühlbar, Blätter rascheln
Blätter und dünne
Zweige bewegen sich
Auswirkungen auf
See
spiegelglatte See
leichte Kräuselwellen
kleine, kurze Wellen
Anfänge der
Schaumbildung
Wellen werden ländünne Äste bewegen
ger, Schaumköpfe
sich, loses Papier hebt
treten ziemlich versich
breitet auf
Größere Zweige und
Längere Wellen,
kleine Bäume bewegen überall weiße
sich
Schaumkämme
Starke Äste bewegen
Bildung großer
sich, Regenschirm ist
Wellen, Kämme
umständlich zu benut- brechen sich, verzen
einzelt Gischt
Bäume schwanken,
weiße SchaumstreiGehen wird erschwert fen, See türmt sich
Zweige brechen, Gemäßig hohe Welhen wird erheblich
lenberge
erschwert
hohe Wellenberge,
kleinere Schäden an
Gischt kann die
Häusern (Ziegel werSicht beeinträchtiden abgeworfen)
gen
sehr hohe WellenBäume entwurzeln,
berge, See weiß
bedeutende Schäden
durch Schaum
an Häusern
11 orkanartiger
Sturm
103 – 117
Autos werden aus der
Spur geworfen, Gehen
ist unmöglich
12 Orkan
118 – 133
schwerste Verwüstungen
außergewöhnlich
hohe Wellenberge,
Gischt setzt Sicht
herab
See vollständig
weiß, keine Fernsicht
Tabelle 2 Beaufort – Skala29
29
vgl. Häckel (2012): S. 401f.
12
2 Theoretischer Hintergrund
Wolken
Bereits vor der Zeitenwende vor der Geburt Christi wurden die Wolken als ein
Kennzeichen oder Vorbote für ein bestimmtes Wetter beschrieben. So wurden
diese in ihren Formen und Farben unterschieden, um damit Aussagen zum
Wetter zu treffen. So werden die Wolken noch heute klassifiziert, dokumentiert
ist dies im „International Cloud Atlas“. Wolken werden nach ihren verschiedenen Familien und Gattungen unterschieden. Die Wolkenfamilie beschreibt die
Höhe, in der sich die Wolken befinden. Die Gattung bestimmt die generelle
Wolkenform.30 Eine ausführliche Übersicht über die Wolkenfamilien und
Wolkengattungen ist im Kapitel 2.3.3.2. zu finden.
Bodenzustand
In der Praxis wird der Bodenwassergehalt häufig mit einem Tensiometer gemessen. Eine exakte Bestimmung ist dennoch auch mit heutiger Technik problematisch.31
2.2. Strahlung der Sonne
Die Sonne ist der entscheidende Faktor für das Leben auf der Erde. Ohne sie
gäbe es weder Leben noch jegliche Wettererscheinungen. Die Sonne erwärmt
die Erde, wodurch als Folge Druckunterschiede in der Luft entstehen, bei deren
Ausgleich Wind entsteht. Durch das Vorhandensein der Atmosphäre in der
bisherigen chemischen Zusammensetzung ist überhaupt Leben möglich. Wenn
die Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre die Erde erreicht, sind zwei Szenarien denkbar: Es ist möglich, dass nichts Ungewöhnliches passiert und die
Strahlung die Erde einfach erreicht (direkte Sonnenstrahlung). Diese Strahlung
ermöglicht, dass die Sonne am Himmel zu sehen und die Schatten wirft.32 Des
Weiteren können Wechselwirkungen der Sonnenstrahlung mit Luftmolekülen
entstehen.
30
vgl. Häckel (2012), S. 311ff.
vgl. ebd. S. 396
32
vgl. Häckel (2012): S. 196
31
13
2 Theoretischer Hintergrund
Streuung und Absorption
„Die Energieentnahme von einer einfallenden Welle und die nachfolgende
Wiederausstrahlung eines Teils der Energie nennt man Streuung.“33 Wenn die
Streuung nur in eine Richtung stattfindet, bezeichnet man diese als Reflexion.
Reflexion ist ein Sonderfall der Streuung. Dabei tritt durch Interferenz34 der
gestreuten Strahlung eine Vorzugsrichtung auf (Reflexionsgesetz). Ein Beispiel
für die Streuung ist der Zigarettenrauch in einem Zimmer, der durch einen hereinfallenden Lichtstrahl „sichtbar“ wird. Dabei werden die Lichtstrahlen der
Staubpartikel so abgelenkt, dass die Lichtstrahlen ins Auge des Betrachters
fallen. So wird auch eine beschlagene Fensterscheibe trüb, weil die anhaftenden Wassertröpfchen das Licht in alle Richtung streut und damit „das Erkennen der ursprünglichen Strahlungsrichtung unmöglich wird.“35 Der Anteil der
wiederabgestrahlten Energie hängt von der Beschaffenheit der bestrahlten
Oberfläche ab und hat eine große Bedeutung für das Wetter und das Klima. Ist
der Boden dunkel (Erde), reflektiert dieser nur einen geringen Anteil der Sonnenstrahlung. Eine weiße saubere Schneedecke reflektiert den Großteil der
Strahlung, wirft sie also zurück. Die sogenannte Albedo ist ein Maß für den
Reflexionsgrad eines Körpers. Albedo stammt vom lateinischen Wort „albus“
und bedeutet wörtlich „Grad der Weißheit“.36 Je heller eine Fläche ist, auf die
Lichtstrahlen eintreffen, desto weniger Bewegungsenergie erhalten die Moleküle, die unter der Fläche sind. Je dunkler eine Fläche ist, desto mehr Bewegungsenergie wird an die darunter liegenden Moleküle weitergegeben ( Absorption). Bei den Reflexionseigenschaften ist der Einfallswinkel der Strahlen
entscheidend: Treffen die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Wasseroberfläche
ein, ist der reflektierte Anteil recht niedrig und liegt bei 3 – 10 %. Der Anteil
steigt aber mit sinkender Sonne schnell an und kann bei streifendem Einfall
sogar bei 100 % liegen.37
„Die Aufnahme von Licht und damit auch der Energie des Lichts durch Stoffe
wird als Absorption bezeichnet.“38 Die dunkle Erde absorbiert jedoch den
Großteil der Strahlen, nimmt sie also auf. Die Schneedecke hingegen absorbiert
33
s. Eugene Hecht, Optik, Addison-Wesley, 1989, S. 309
Interferenz meint die Überlagerung von Wellen.
35
s. Häckel (2012): S. 186
36
vgl. ebd. S. 194
37
vgl. ebd. S. 194
38
s. ebd. S. 324
34
14
2 Theoretischer Hintergrund
nur einen geringen Teil des Lichtes. Fühlbar ist dies im Sommer an dunkler
Kleidung, die das Sonnenlicht absorbiert. Die Energie des Lichts wird dabei
aufgenommen und von dunkler Kleidung absorbiert. Die Moleküle werden
durch Aufnahme der Sonnenenergie selbst energiereicher. Spürbar ist dies als
Wärme.
2.2.1. Astrophysikalische Grundlagen
Die Sonne ist rund 4,5 Milliarden Jahre alt. Sie ist ein Stern von vielen Milliarden innerhalb der Milchstraße. Sie ist der Zentralkörper des Sonnensystems.
Die Sonne hat einen Durchmesser von ca. 1.392.530 km und ist damit 109-mal
so groß wie die Erde. Die mittlere Entfernung zur Erde beträgt 149,6 Mio. km.
Der Hauptbestandteil der Sonne ist Wasserstoff (92,1%), der Rest besteht aus
Helium (7,8%) und zu 0,1% aus Sauerstoff, Kohlenstoff, Neon und Stickstoff.39 Die Gasdichte nimmt von innen nach außen ab. Dabei wird vom Sonneninneren und der Sonnenatmosphäre unterschieden.40 Die Photosphäre trennt
das Innere und das Äußere der Sonne. Sie ist allerdings nur 300 – 400 km breit.
In ihr „wird die Energie nur durch die Bewegung der Materie transportiert“.41
An manchen Stellen der Photosphäre sind Sonnenflecken zu finden, die starke
Magnetfelder enthalten. Da ihre Temperaturen geringer sind als die der Sonne,
kennzeichnen sich die Flecken durch eine dunklere Färbung. Im Inneren der
Sonne herrschen ungefähr 15 Mio. °C. An der oberen Grenze der Photosphäre
grenzt die Chromosphäre. Dieser Bereich ist kurz vor bzw. kurz nach einer
totalen Sonnenfinsternis als rötlicher Rand zu erkennen. Die Chromosphäre ist
im Gegensatz zur Photosphäre nicht nur 300 – 400 km breit, sondern hat eine
Dicke von bis zu 10.000 km.42 Die Sonne wird von den acht Planeten mit ihren
Monden umrundet. Die Erde benötigt 365 Tage, um die Sonne zu umrunden.
Des Weiteren dreht sich die Erde um ihre eigene Erdachse. Diese verläuft nicht
senkrecht, sondern hat einen Neigungswinkel von etwa 23° gegen die Bahnebene um die Sonne. Eine Drehung um die Erdachse dauert einen Tag. Die
Erde hat einen Durchmesser von 17.756 km (am Äquator). Die Landfläche der
39
vgl. Wikipedia „Sonne“
vgl. Deiters, Dr. Pailer, Deyerler (2008), S. 54
41
s. ebd., S. 59
42
s. ebd., S. 59
40
15
2 Theoretischer Hintergrund
Erde hat einen prozentualen Anteil von ca. 41 % (149 Mio. km²), das Wasser
hat eine größere Fläche: 361 Mio. km².
Die Erde hat einen festen Innenkern, der von einem flüssigen äußeren Kern
umschlossen ist. Der Erdkern besteht vor allem aus Eisen und Nickel. Ein
Seismograph, ein sehr sensibles Gerät, kann Erdbebenwellen erfassen und
messen. Es gibt im Wesentlichen P-Wellen (Primär-Wellen) und S-Wellen
(Sekundär-Wellen). Die Wellen treffen dabei auf verschiedene Materialien, die
unterschiedliche Beschaffenheit und Dichten aufweisen. Dabei wird zudem die
Ausbreitungsgeschwindigkeit geändert und die Wellen werden reflektiert.
Hochempfindliche Seismographen erfassen diese und werten sie aus. Da dabei
auch Wellen unterschiedlicher Geschwindigkeiten ausgesandt werden, die mit
der verschiedenen Materialbeschaffenheit begründet werden, kam man daher
auf die Vorstellung des Schalenbaus der Erde.43
Der größte Teil ist der Erdmantel. Dieser umschließt den Erdkern und besteht
aus Silikatgestein. Der Erdmantel wird von der Erdkruste, die ebenfalls aus
Silikatgestein besteht umschlossen.44 Die ganze Erdkugel wird von der Atmosphäre eingeschlossen.
Abbildung 6: Aufbau der Erde
43
s. Deiters, Dr. Pailer, Deyerler (2008), S. 88
44
vgl. Deiters, Dr. Pailer, Deyerler (2008), S. 88
16
2 Theoretischer Hintergrund
2.2.2. Jahreszeiten
Man unterteilt das Jahr in vier Jahreszeiten, die sich aufgrund ihrer astronomischen und klimatischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. Astronomische Jahreszeiten richten nach dem Stand der Sonne. Klimatische Eigenschaften werden dabei durch bestehende meteorologische Zustände beschrieben. Die
im Alltag gemeinten Jahreszeiten entsprechen den klimatischen Jahreszeiten;
Frühling, Sommer, Herbst und Winter. Die Jahreszeiten werden durch die unterschiedliche Sonneneinstrahlung und die damit verbundenen Wärmeverhältnisse auf der Erde verursacht und bewirken damit die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen.
Die Umlaufzeit der Erde um die Sonne auf einer fast kreisförmigen Ellipse,
oder auch Evolutionsperiode oder Erdrevolution genannt, dauert 365 Tage. Die
Erde dreht sich zudem um ihre eigene Erdachse. Die Jahreszeiten verändern
sich dadurch, dass die Rotationsachse der Erde nicht senkrecht zu ihr steht,
sondern mit der Ebene der Umlaufbahn, der Ekliptik, einen Winkel von 66,5°
bildet und damit um 23,5° geneigt ist.45 Legt man die Dauer eines Tages durch
den Zeitunterschied zwischen zwei Höchstständen der Sonne fest, ergeben sich
im Laufe des Jahres Abweichungen bis zu 15 Minuten. Diese rühren vor allem
von der unterschiedlichen Bahngeschwindigkeit der Erde um die Sonne her.
Der Mittelwert aller Sonnentage ergibt recht genau 24 Stunden.46 Durch die
ellipsenförmige Umrundung der Erde um die Sonne folgt, dass sich der Abstand zwischen der Sonne und der Erde ändert. In Sonnennähe (Periphel) beträgt sie 147,1 Millionen, in Sonnenferne (Aphel) 152,1 Millionen Kilometer.
Die mittlere Entfernung beträgt 149,6 Millionen Kilometer.47 Diese Schwankung bewirkt praktisch keinen Einfluss auf das Zustandekommen der Jahreszeiten auf der Erde, entscheidend dafür ist der unterschiedlichen Neigungswinkel der Sonnenstrahlen zur Erde. Am nächsten steht die Erde der Sonne in der
ersten Januarwoche, am entferntesten um den 6. Juli.48 Die Jahreszeiten kommen jedoch nicht durch die Entfernung der Erde zur Sonne zustande, da die
45
vgl. Häckel (2012): S.180
vgl. Wikipedia. Erdrotation.
[http://de.wikipedia.org/wiki/Erdrotation#Zeitliche_Ver.C3.A4nderlichkeit] und
Übelacker, Erich (1984): S. 16
47
vgl. ebd. S. 11
48
vgl. Übelacker, Ernst (1984): S.11
46
17
2 Theoretischer Hintergrund
Sonne beispielsweise am 2. Dezember, also im Winter, der Erde zwar am
nächsten steht, aber gemessen an ihrer niedrigen Mittagshöhe kaum ins Gewicht fällt.
Aufgrund dieser Neigung ist die Nord- bzw. Südhalbkugel im Sommer der
Sonne zugewendet, im Winter jedoch abgewendet. Ist auf der Nordhalbkugel
Sommer, ist aufgrund des Winkels der Rotationsachse zur Umlaufbahn auf der
Südhalbkugel Winter und umgekehrt. Im Herbst und im Frühling sind die Sonnenstrahlen auf beide Hälften der Erde in etwa gleich stark. 49 So bewirkt die
Sonne durch den Einstrahlungswinkel, sowie der Dauer und der Intensität eine
die unterschiedlichen klimatischen Bedingungen auf der Erde.
Abbildung 7: Jahreszeiten50
Zusammenfassend gilt:51
Der Umlauf der Erde um die Sonne und die Stellung der Erdachse beeinflussen
die Jahreszeiten. Da die Erdachse sich im Winkel von 23,5° zur Bahnebene der
Erde um die Sonne bewegt, entstehen dadurch unterschiedliche Sonneneinstrahlungen und verschiedene Einfallswinkel, die bewirken, dass die Sonnenstrahlen im Winter flach bzw. schräg auf die Erdoberfläche treffen. Im Sommer
ist der Einfallswinkel viel steiler. Ebenso resultiert daraus die Tatsache, dass
49
vgl. Crummenerl (2010): S.9
s. Crummenerl (2010): S. 9
51
vgl. SUPRA [http://www.supra-lernplattform.de/index.php/lernfeld-natur-und-technik/lichtund-schatten/einheit-7-wie-entstehen-sommer-und-winter?showall=&start=1;Zugriff:
23.03.2014]
50
18
2 Theoretischer Hintergrund
die Sonnenscheindauer im Sommer sehr hoch (etwa 16 Stunden) ist und Winter
eher niedrig (etwa 8 Stunden).52
2.3.Wind und Luft
Luft bezeichnet ein Gasgemisch der Erdatmosphäre. Im natürlichen Zustand ist
Luft geschmacks- und geruchsneutral und zudem nicht sichtbar. Die Luft in
ihrer Zusammensetzung spielt für alle Lebewesen eine überlebenswichtige Rolle.
Als Voraussetzung für den Verlauf zum Thema Wind und Luft wird zunächst
der statische Auftrieb erklärt. Anhand dessen sind weitere Erklärungen zu Seeund Landwind verständlicher.
2.3.1. Statischer Auftrieb
Der Auftrieb in Flüssigkeiten und Gasen wird in SUPRA in der Lerneinheit
„Auftrieb“ (in Vorbereitung) ausführlich behandelt. Dort wird er anhand eines
getauchten U-Bootes erläutert. Hier wird der Entwurf eines noch nicht in
SUPRA veröffentlichten Sachtextes (pers. comm. Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner) dargestellt.
Man unterscheidet zwischen dynamischem und statischem Auftrieb. Der dynamische Auftrieb beschäftigt sich mit der Kraft, die sich aus der Umströmung
einen Körpers (Beispiel Tragfläche eines Flugzeugs) ergibt. Der statische Auftrieb, der für das Wetter relevant ist, beschreibt eine Kraft, die sich aus Druckunterschieden in einem Medium wie Wasser oder Luft ergibt ( archimedisches Prinzip). Dieser statische Auftrieb „ist eine der Schwerkraft entgegengesetzte Kraft in Flüssigkeiten oder Gasen“.53
„Ein getauchtes U-Boot ist von allen Seiten dem Wasserdruck ausgesetzt. Dieser Druck steigt mit der Wassertiefe an. Diese Abhängigkeit von der Wassertiefe bedingt, dass der Druck an der Unterseite des Bootes etwas größer als auf
der Oberseite ist. Das Wasser übt deshalb auf die Unterseite eine größere
Druckkraft auf das Boot (nach oben) aus als die Kraft, die auf der Oberseite
nach unten drückt.
52
53
vgl. Übelacker (1984): S.15
s. Wikipedia „Statischer Auftrieb“
19
2 Theoretischer Hintergrund
Abbildung 8: Statischer Auftrieb
Die Druckkräfte Fs von den Seiten sind gleich groß, sie heben sich in ihrer
Wirkung gegenseitig auf. Wir lassen sie deshalb in den folgenden Betrachtungen weg. Insgesamt bleibt also eine nach oben gerichtete Kraft übrig, die das
Boot nach oben schiebt. Diese nach oben gerichtete Kraft nennt man Auftrieb.
Es gibt aber noch eine weitere Kraft auf das Boot: die Gewichtskraft F G, die
die Erde auf das Boot ausübt und die das Boot nach unten zieht.
Die Druckkraft von oben und die Gewichtskraft schieben das Boot nach unten,
die Druckkraft von unten schiebt es nach oben. Ist die nach oben schiebende
Kraft insgesamt größer als die nach unten wirkende, wird das Boot so lange
nach oben geschoben, bis es auftaucht: es schwimmt. Es galt unter Wasser Fu
> Fo + FG. Aber wenn es aufgetaucht ist, wirkt die Druckkraft des Wassers von
oben nicht mehr (Fo = 0). Das Boot wird so lange aus dem Wasser geschoben,
bis die dadurch kleiner werdende Druckkraft Fu von unten genau so stark wie
die Gewichtskraft geworden ist.
Sind beim getauchten U-Boot Gewichtskraft und Druckkraft Fo von oben zusammen größer als die nach oben schiebende Druckkraft Fu von unten, dann
sinkt das Boot. Es ist Fu < Fo + FG. Sind sie gleich, also Fu = Fo + FG, dann
schwebt das Boot im Wasser.
Dichtevergleich und Auftrieb
Hat der Körper das Volumen VK, dann ist der Auftrieb (also die Differenz der
nach oben und der nach unten wirkenden Druckkraft) gegeben durch
20
2 Theoretischer Hintergrund
FA = W·g·VK, wenn der Körper vollständig eingetaucht ist. W ist die Dichte
des Wassers (Dichte  = Masse/Volumen). Das ist gerade die Gewichtskraft
einer Wassermenge mit dem Volumen VK. Oder mit anderen Worten: die Auftriebskraft FA ist gleich der Gewichtskraft FG der von dem Körper verdrängten
Wassermenge. Die Bedingungen für Schweben, Sinken oder Schwimmen in
Wasser lassen sich dann auch durch Vergleich der Dichten von Wasser und der
Dichte vom Körper angeben:
W = K Schweben
W < K Sinken
W > K Schwimmen
Für Anwendungen auf Schiffe, Boote, u.a. Körper, die oben offen sind, ist der
Dichtevergleich nicht so einfach wie es auf den ersten Blick aussieht. Denn
was ist das Volumen eines Ruderbootes oder eines Kreuzfahrtschiffes?
Warmes Wasser, das von kälterem Wasser umgeben ist, steigt auf
Nun nehmen wir an, an der Stelle des U-Bootes haben wir dort Wasser. Sein
Volumen ist VB. Auf diese Wassermenge wirkt eine Gewichtskraft, die dieses
Wasser nach unten zieht. Aber es wirkt auch eine Auftriebskraft nach oben.
Beide Kräfte sind gleich, so dass dieses Wasservolumen im umgebenden Wasser schwebt.
Jetzt nehmen wir an, dass das Wasser mit noch immer dem gleichen Wasservolumen VB eine höhere Temperatur als das umgebende Wasser hat. Nun wiegt
aber ein Liter warmes Wasser weniger als ein Liter kalten Wassers, denn beim
Erwärmen vergrößert sich das Volumen des Wassers. Deshalb ist die Gewichtskraft auf das Wasservolumen mit höherer Temperatur kleiner als auf ein
gleichgroßes Volumen kalten Wassers. Insgesamt ergibt sich eine nach oben
schiebende Kraft, das warme Wasser steigt auf.
21
2 Theoretischer Hintergrund
Auftrieb in Luft
Ganz analog wie bei einem Boot im Wasser wirkt auf einen Körper, der von
Luft umgeben ist, ein Auftrieb (natürlich auch eine Gewichtskraft). Mit dem
Abstand von der Erdoberfläche nimmt der Luftdruck ab, denn mit der Höhe
nimmt die Dicke der darüber liegenden Luftschicht ab, dort wird die Luft nicht
mehr so stark gedrückt.
Wie beim Wasser ist deshalb die Druckkraft auf die Unterseite eines Ballons
größer als die Druckkraft auf die Oberseite, es gibt eine nach oben gerichtete
Auftriebskraft. Ist die Gewichtskraft auf den Ballon größer als der Auftrieb,
sinkt der Ballon nach unten. Sind Gewichtskraft und Auftrieb gleich stark,
schwebt er. Ist der Auftrieb größer als die Gewichtskraft, steigt er nach oben
(Aufstieg eines Heißluftballons).
Genauso, wie warmes Wasser in umgebendem kaltem Wasser aufsteigt, steigt
warme Luft auf, wenn sie von kälterer Luft umgeben ist. Ein Heizkörper erwärmt die ihn umgebende Luft und diese steigt dann in der kälteren Luft im
Zimmer auf. Insgesamt bildet sich ein Luftkreislauf aus und die Luft in dem
ganzen Zimmer wird erwärmt.“54
2.3.2. Land- und Seewind
Wind entsteht durch Luftdruckausgleiche und ist damit bewegte Luft. Zu betrachten ist eine Küstenzone mit einer Landfläche und dem Meer. Diese Bereiche sind gleichen Luftdrucks. Scheint nun die Sonne auf diese Flächen, ist zu
beobachten, dass das Land schneller erwärmt wird als das Wasser. Der Temperaturanstieg der darüber liegenden Luft hat die Auswirkung, dass diese wärmere Luft sich ausdehnt und damit aufgrund der Dichtebeschaffenheit nach oben
bewegt. Dabei steigt der Luftdruck in der Höhe, bleibt am Boden jedoch unverändert. Über dem Land in der Höhe ist der Luftdruck also höher (Hochdruckgebiet) als in der gleichen Höhe über dem Wasser (Tiefdruckgebiet). Nahe der Wasser- und Erdoberfläche ist der Luftdruck jedoch gleich. So bewegt
sich die Luftmasse, die zuvor in der Höhe über der Landfläche war, in der Höhe über das Wasser. In Boden- und Wassernähe ist diese Notwendigkeit durch
den gleichbleibenden Luftdruck nicht gegeben. So sammelt sich über dem
54
pers. comm. Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner
22
2 Theoretischer Hintergrund
Wasser eine größere Masse, der Luftdruck nah an der Wasseroberfläche steigt.
Wieder kommt es zu einer Druckdifferenz, die nun auch verstärkt wird, da in
der Höhe über dem Land die Luft wegfließt. Somit ist ein Kreislauf, eine Zirkulation, entstanden. Nachts sind die Verhältnisse umgekehrt: Das Land kühlt
schneller ab als das Wasser und so verringert der Luftdruck mehr als über dem
Wasser. Ebenso geschieht wieder eine Zirkulation, die genau anders herum
stattfindet. In Bodennähe entsteht ein Landwind, der in der Höhe von einem
Seewind überlagert ist.55
Abbildung 9: Land- und Seewind56
2.3.3. Wolken
Bei Wolken handelt es sich um „sichtbare, in der freien Atmosphäre schwebende Ansammlungen von Kondensationsprodukten des Wasserdampfs, das
heißt von sehr kleinen Wassertröpfchen (mittlerer Durchmesser unter 0,02 mm)
und/oder Eiskristallen.“57 Anhand ihrer Erscheinung (Formen und Farben)
wurden bereits vor mehr als 2000 Jahren Aussagen zum Wettergeschehen getroffen.58
2.3.3.1. Entstehung von Wolken
Für die Entstehung von Wolken muss Luft mit einem ausreichenden Feuchtegehalt unter dem Taupunkt59 abgekühlt werden. Eine weitere Voraussetzung ist
das Vorhandensein von Kondensationskeimen, an denen sich die Wasser55
vgl. Häckel (2012): S.257f.
s. Crummenerl (2010): S. 13
57
s. Brockhaus (2009): S. 368
58
vgl. Häckel (2012): S. 110
59
Der Taupunkt beschreibt die Temperatur, bei dem ein Gas-Dampf-Gemisch mit Gas Dampf
gesättigt ist. Bei Abkühlung unter den Taupunkt kommt es zur Kondensation des Dampfes
aufgrund der Übersättigung. Ist Wasserdampf in der Luft, bilden sich Wassertröpfchen.
56
23
2 Theoretischer Hintergrund
dampfmoleküle bei der Kondensation anlagern können.60 Im Wesentlichen
entstehen die Wolken dabei entweder durch horizontales Aufgleiten von
Warmluft über kältere Luft (Advektion) oder vertikales Aufsteigen, der Konvektion. Die Abkühlung der Luft geschieht in erster Linie durch Konvektion,
wie beispielsweise an orographischen Hindernissen (z.B. Gebirge), beim Aufgleiten oder auch turbulente Mischungsvorgänge. Genauer: durch die dabei
erfolgende Expansion. „Trockene Luft kühlt sich trockenadiabatisch61 ab, bis
der in ihr enthaltene Wasserdampf den Sättigungszustand (100 % relative
Feuchte) erreicht hat.62 Die Höhe, in der die Kondensation des Wasserdampfs
einsetzt, bezeichnet man als Kondensationsniveau. In dieser Höhe bilden sich
kleine Wassertröpfchen und die weitere Abkühlung geht feuchtadiabatisch63
vor. Obwohl der Gefrierpunkt unterschritten wird, tritt in der Regel noch kein
Gefrieren der Wassertropfen ein. Sie bleiben von 0°C bis ca. -15°C flüssig und
gefrieren dann zu Eiskristallen. Dies geschieht unter Mitwirkung von Gefrierkernen. So wird aus einer zunächst reinen Wasserwolke eine Mischwolke. Mit
zunehmender Höhe und damit abnehmender Temperatur erhöht sich der Gehalt
von Eiskristallen. Der Anteil der Wassertropfen sinkt dementsprechend. Ab
einer Temperatur von etwa -35°C bestehen die Wolken überwiegend aus Eiskristallen (Eiswolken). Erkennbar sind Wasserwolken an den deutlichen Rändern und dem kompakten Aussehen. Eiswolken hingegen zeigen faserförmiges
Aussehen, ausgefranste Ränder und eine weiße, glänzende Farbe. Mischwolken
sind je nach Dicke hell- bis dunkelgrau, zum Teil mit deutlichen, aber auch mit
ausgefransten Rändern. Sie sind hauptsächlich die Ursache für den Niederschlag. Aufgrund der Vertikalbewegung, durch die die Wolken entstanden
sind, werden die Wolken nach ihrer Form unterteilt und anhand dieser unterschieden. Dabei gibt es Haufenwolken (Folge von starken aufsteigenden Bewegungen) und Schichtwolken (langsames Aufgleiten in der Atmosphäre).64
60
vgl. Klima und Wetter (2009): S. 368
Adiabatisch: zu Temperaturänderungen vertikal bewegter Luft führend, ohne dass dabei ein
Wärmeaustausch mit der Umgebung geschieht. Trockenadiabatisch: unterhalb des Kondensationsniveaus (Temperaturänderung 1°C/100m)
62
s. Wetter und Klima (2009): S. 368
63
Feuchtadiabatisch: oberhalb des Kondensationsniveaus (Temperaturänderung etwa
0,5°C/100m)
64
vgl. Klima und Wetter (2009): S. 369
61
24
2 Theoretischer Hintergrund
2.3.3.2.
Wolkenklassifikation
Die Klassifikation der Wolken ist im „International Cloud Atlas“ aufgeführt.
Dieser unterteilt die Wolken in Familien, Gattungen, Arten, Unterarten und
Sonderformen.
Wie bereits im Kapitel 2.1.2. beschrieben, wird die Wolkenfamilie aufgrund
der Höhe der Wolke benannt. Dabei wird eingeteilt in drei verschiedene Höhen: Hohe Wolken sind reine Eiswolken, im mittleren Stockwerk befinden sich
Mischwolken, die sowohl Wasser und Eis enthalten können und in der niedrigsten Etage befinden sich reine Wasserwolken. Diese Grenzen zwischen den
Ebenen nennt man Wolkenuntergrenzen. In gemäßigten Gebieten liegen

hohe Wolken in einem Bereich von etwa 5 – 13 km,

die mittleren im Bereich von 2 – 7 km

und die tiefen Wolken vom Erdboden bis 2 km in die Höhe.
Die Überschneidung der hohen und mittleren Wolken entsteht, weil die Wolken im Sommer höher stehen als im Winter. Diese Bereiche nennt man auch
Stockwerke.
Wolkenfamilie und
Stockwerk
Höhe (Gemäßigte Zone)
Erkennung an lateinischen Anfängen
Hohe Wolken
(Eiswolken)
5 – 13 Kilometer
cirr (≙ Haarlocke)
Mittlere Wolken
(Mischwolken)
2 – 7 Kilometer
alto (≙ hoch)
Tiefe Wolken
(Wasserwolken)
Erdboden – 2 Kilometer
Stockwerkübergreifende
Wolken
Erdboden – 13 Kilometer
nimb (≙ Regenwolke)
Tabelle 3: Stockwerke65
Es gibt ebenso auch stockwerkübergreifende Wolken, die unter bestimmten
Bedingungen in Höhen bis zu 13 km liegen können. Erkennbar sind diese, dass
sie immer die Silbe „nimb“ enthalten, beispielsweise Nimbostratus.
65
vgl. Häckel (2012): S. 113
25
2 Theoretischer Hintergrund
Die Wolkengattung beschreibt die Form der Wolke. Man unterscheidet dabei
nach haufenförmig, schichtförmig und schleierförmig. Dabei sind die Wolken an folgenden lateinischen Endungen erkennbar:

Haufenförmige Wolken enden mit „cumulus“. Ausnahme ist dabei die
stockwerkübergreifende Wolke: Sie heißt Cumulunimbus.

Schichtförmige enden auf „stratus“.

Schleierförmige heißen Cirrus.
Cumulus- und Stratuswolken sind auf allen Ebenen zu finden. Die schleierförmigen Wolken findet man nur im Bereich der hohen Wolken und diese haben
daher keine besondere erkennbare Endung und heißen Cirrus.
Weitere Faktoren (Arten und Unterarten) wie Höhe, Volumen, Struktur, Gestalt, Anordnung und Durchlässigkeit dienen zur weiteren Beschreibung von
Wolken.66
2.4. Wasser und Niederschläge
Das Wasser ist grundlegend für das Leben auf der Erde. Unter natürlichen Bedingungen kann das Wasser alle Aggregatzustände annehmen: gasförmig, flüssig und fest. So würde es auch keine derartigen Wettererscheinungen auf der
Erde geben können, da das Wetter „erst durch Kondensations-, Verdunstungs-,
Schmelz-, und Gefriervorgänge“67 entsteht. Dabei macht das Süßwasser nur 3,5
% des gesamten Wasseranteils aus; die anderen 96,5 % macht das Salzwasser
aus. Niederschlag ist Wasser im flüssigen oder festen Zustand.68 Des Weiteren
spielen die Verdunstung und die Kondensation des Wassers eine große Rolle:
Es entsteht ein Wasserkreislauf. Die Wassermenge der Erde bleibt somit immer
gleich.
Wasser kann durch Wärmezufuhr bzw. durch Wärmeentzug in einen anderen
Aggregatzustand umgewandelt werden. Siedepunkt, Schmelzpunkt und Sublimationspunkt sind jedoch druckabhängig. Die folgende Abbildung zeigt die
verschiedenen Aggregatzustände und die Bezeichnung der Änderungen.69
66
vgl. Häckel (2012): S.110-119
s. ebd. S. 61
68
vgl. Wetter und Klima (2009): S. 235
69
vgl. Witt (1996): S. 34
67
26
2 Theoretischer Hintergrund
Schnee, Hagel,
Eiskristalle
Nebel, Regen
GEFRIEREN
SCHMELZEN
Fest
R
E
S
U
B
L
I
M
A
T
I
O
N
S
U
B
L
I
M
A
T
I
O
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Flüssig
Dampf
K
O
N
D
E
N
S
A
T
I
O
N
V
E
R
D
A
M
P
F
U
N
G
Abbildung 10: Aggregatzustände70
2.4.1. Verdunstung
Die Verdunstung geschieht, wenn das Wasser unterhalb des Siedepunktes verdampft. Die Verdampfung geschieht nur an der Oberfläche des Wassers. Die
Energie, die dazu nötig ist, wird der Umgebung entzogen, sie wird dadurch
kälter. Ein Beispiel ist das Schwitzen. Abhängig vom Sättigungsdefizit der
Dampfphase, ebenso auch von Druck, Temperatur und Wärmeaustausch mit
der Umgebung findet die Verdunstung in unterschiedlicher Intensität statt. Eine
zentrale Bedeutung der Verdunstung gibt es beim Wasserkreislauf: Die im
70
vgl. Witt (1996): S. 34
27
2 Theoretischer Hintergrund
Wasserdampf enthaltene Wärme (Umwandlungsenthalpie) wird bei der Umwandlung wieder in die Atmosphäre zurückgegeben.71
2.4.2. Kondensation
Die Kondensation beschreibt den Übergang eines Stoffs vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand. Die Kondensation tritt am Kondensationspunkt
ein, der dem Siede- bzw. Sublimationspunkt entspricht. Die Kondensation findet beim Überschreiten der Sättigungsdichte statt.72 Beim Wetter ist die Kondensation für die Entstehung von Nebel, Wolken oder Tau verantwortlich. Eine
Abkühlung wird erreicht, wenn Wasserdampfmassen von wärmeren Gebieten
in kältere ziehen, durch Wärmeabstrahlung und durch „Ausdehnung von Luftmassen beim Aufsteigen.“73
2.4.3. Niederschlag
Niederschlag bezeichnet das Wasser, das aus dem gasförmigen Zustand (Wasserdampf) in den flüssigen oder festen Zustand übergeht und dann aus der Luft
ausgeschieden wird. Es werden folgende Unterscheidungen getroffen:
Niederschlagsart
Beispiele
fallender bzw. gefallener Niederschlag
Regen, Schnee Sprühregen, Hagel
abgesetzter Niederschlag
Tau, Reif
abgelagerter Niederschlag
Decken aus Schnee, Hagel
Tabelle 4: Niederschlagsarten74
In welcher Form der Niederschlag fällt, ist abhängig von der umgebenen Temperatur.
2.4.4. Wasserkreislauf
Das Wasser, das sich in der Atmosphäre der Erde befindet, verlässt diese nicht.
Es kommt ebenso kein Wasser hinzu. Durch Verdunstung, Kondensation,
Wind und Wolken wird das Wasser in den verschiedenen Aggregatzuständen
71
vgl. Wetter und Klima (2009): S.331
vgl. Wetter und Klima (2009), S. 189
73
s. Wetter und Klima (2009), S. 189
74
vgl. Wetter und Klima (2009), S. 235
72
28
2 Theoretischer Hintergrund
innerhalb der Atmosphäre befördert. Über den Gewässern und auch vom Boden verdunstet Wasser durch Sonnenenergie. Treffen warme, wasserdampfreiche Schichten auf kalte Schichten, schieben diese sich darüber, ebenso bei
Hindernissen (Konvektion). Kalte Luft kann weniger Wasserdampf aufnehmen
als warme Luft. Das Aufsteigen der Luftmassen bewirkt jedoch, dass sich diese
abkühlt. Die Luft ist gesättigt mit kondensiertem Wasser. Der Wasserdampf
kondensiert, es kommt damit zu Niederschlägen. Die Niederschläge fallen auf
den Erdboden oder ins Wasser zurück. Der Kreislauf beginnt von vorn.
2.5. Treibhauseffekt und Ozon
Die verschiedenen Komponenten der Erde (Ozeane, Kontinente und die Atmosphäre) stehen in ständiger Wechselwirkung. Das System wird dabei hauptsächlich von der kurzwelligen Strahlung betrieben. „Etwa 70 Prozent von ihr
verbleiben zunächst im System. Das Klima heizt sich aber nicht auf, denn etwa
die gleiche Menge verlässt die Lufthülle später wieder als langwellige Wärmestrahlung.“75 Die Atmosphäre besteht aus verschiedenen Gasen, u.a. Wasserdampf, Kohlendioxid, Methan, Lachgas, Ozon und verschiedene Chlorkohlenwasserstoffe. Diese sind für das kurzwellige Sonnenlicht transparent, so kann
mehr als die Hälfte der einfallenden Strahlen die Erde erreichen. Teile der Erdoberfläche, sowie Wolken und in der Luft enthaltene Teilchen (Aerosole) reflektieren das Licht und verhindern damit, dass der Anteil der einfallenden
Strahlung noch höher ist. Das Ozon absorbiert dabei das kurzwellige Ultraviolett. Die Gaskonzentration der Atmosphäre bestimmt die Absorption der Strahlungsenergie, sowie die Abgabe (Emission). Mehrere Gase absorbieren teilweise die Strahlung. Das schädliche Ultraviolett wird dabei fast komplett abgefangen.76 Aufgrund der erhöhten Gaskonzentrationen an der Tropopause wird jedoch ein größerer Teil der Strahlungsenergie, die zurück außerhalb der Atmosphäre geworfen werden sollte, absorbiert. Die langwellige Strahlung der Sonne kann somit in die Atmosphäre gelangen. Aufgrund der erhöhten Absorptionsrate ist es nicht mehr möglich, dass die gleiche Menge wieder aus der Atmosphäre reflektiert wird.
75
76
Raschke (2008)
vgl. ebd.
29
3 Didaktische Überlegungen
3. Didaktische Überlegungen
Die im zweiten Teil ausgeführten Sachinformationen werden im Folgenden auf
den Sachunterricht an Grundschulen bezogen. Die Inhalte sollen kindgerecht
aufbereitet werden. Mögliche Erklärungsweisen sind den Überlegungen angefügt. Der Anhang der Arbeit beinhaltet mehr Material, als man womöglich im
Unterricht benötigt. Es können individuell Schwerpunkte gelegt werden. Dennoch ist zu jedem aufgeführten Thema ebenso ein Unterrichtsvorschlag angegeben. Eine thematische Beschränkung liegt hierbei auf dem Kernbereich der
Wetterkunde.
3.1. Naturwissenschaften in der Grundschule
In der Grundschule sind diverse Bereiche in ein einziges Fach integriert: dem
Sachunterricht. Physik, Chemie, Biologie, Geschichte, Sozialkunde, Politik,
Geographie und Technik sind somit in einem Fach zusammengefasst. Zum
naturwissenschaftlichen Schwerpunkt des Sachunterrichts gehören physikalische, chemische, technische und biologische Zusammenhänge. Bei Betrachtung verschiedener Schulbücher zum Sachunterricht und aus eigenen Erfahrungen ist auffällig, dass überwiegend biologische und geographische Inhalte präsentiert werden. Physikalische, chemische und technische Themen erhalten
einen sehr kleinen Anteil. Jedoch ist der Umfang der Naturwissenschaften im
realen Sachunterricht verschieden. Mit dem zweiten Teil der Arbeit liegen umfangreiche sachliche Erklärungen vor, die für den Grundschulunterricht im
folgenden dritten Teil aufbereitet werden sollen. Didaktische Überlegungen zur
Umsetzung werden für Lehrkräfte dargestellt.
Für die Vermittlung der Inhalte spielt das Wecken von Interesse oder sogar
Motivation zur selbstständigen Weiterbildung eine große Rolle. Nach eigenen
Erfahrungen sind Grundschüler interessiert an erstaunlichen Experimenten,
können sie jedoch oft nicht bzw. nicht ausreichend erklären. Die Lehrkraft
muss sich mit den Inhalten sicher auskennen und so dieses Thema vertreten
können. Oft werden schwierige Erklärungen angeboten, die die Kinder wie
auch Erwachsene nicht nachvollziehen und nicht verinnerlichen können. Aus
diesem Grund werden im Vergleich zu den vorangestellten Erklärungen vereinfachte Erklärungen dargestellt, die das Wesentliche umfassen. Für das Begrei30
3 Didaktische Überlegungen
fen des Zusammenhangs und die Einordnung ist dies unabdingbar. Vorausgesetzt werden muss eine Verständlichkeit der Erklärungen.77 Schüler verstehen
das Experimentieren in der Schule als „genaues Beobachten von objektiven
Fakten oder als Erzielen positiver Effekte“.78 Die Schüler übersehen den Zusammenhang zwischen Fragestellungen, Hypothesen und Thesen und den Experimenten. Theorien stellen einen Erklärungsrahmen dar. Beim Unterrichtsangebot geht es nicht um reines Faktenwissen, sondern um die Erarbeitung von
Konzepten. Des Weiteren soll das Wissen über Naturwissenschaften vermitteln, die Denkweisen der Naturwissenschaften darzustellen.79 Die Unterrichtsvorschläge sind zum Teil so aufgebaut, dass sie vorab einen problemorientierten Einstieg geben. So werden Denkprozesse angeregt und wirken damit kognitiv aktivierend (Konfrontationsstrategie). Kinder kommen bereits mit Vorerfahrungen und intuitivem naturwissenschaftlichen Wissen in die Schule, die sie
auf bestimmte Phänomene beziehen und versuchen, diese damit zu erklären.
Diese Vorerfahrungen der Schüler müssen im Unterricht aufgegriffen werden.
Insbesondere im Unterricht der Grundschule findet eine Änderung statt: Die
intuitiven Konzepte der Schüler (Präkonzepte) werden auf neue Situationen
bezogen. Nach Posner und Strike80 kann dabei Unzufriedenheit mit den bisherigen Erklärungen zustande kommen, die Motivation aufbauen sollen, um ein
nötiges neues Konzept zu erlernen (Akkommodation) und das alte zu ändern
oder ggf. zu verwerfen (das Beibehalten des alten Konzepts parallel zum neuen
ist dabei möglich). Akkommodation trägt die Bedeutung der Anpassung, dahingehend ist der oft genannte Begriff des Konzeptwechsels (conceptual change) irreführend. Da einige Präkonzepte gegenüber Veränderungen resistent sein
können81, müssen sie erst durch so eine Unzufriedenheit aufgebrochen werden.
Die anderen, neuen Konzepte haben die Anforderung, dass sie verständlich,
einleuchtend und andauernder sind.82 Zum Konzeptwechsel gibt es mehrere
Strategien, wobei die Anforderungen bei allen zu berücksichtigen sind.
„Die Anknüpfungsstrategie geht davon aus, dass die Lernenden neben lernhinderlichen Fehlvorstellungen auch „nützliche“ Vorstellungen besitzen, auf de77
vgl. Langer; Schulz von Thun & Tausch. S. 15
s. Möller, Kleickmann & Sodian. Naturwissenschaftlich-technischer Lernbereich. S. 514
79
vgl. ebd. S. 511
80
vgl. Posner, Strike (1982): S. 213
81
vgl. Koerber. Entwicklungspsychologie des Kindes. S.159
82
vgl. Kahlert. Sachunterricht – ein fachlich vielseitiger Bereiche. S. 489
78
31
3 Didaktische Überlegungen
nen man im Unterricht aufbauen kann.“83 Dabei werden im Alltag bewährte
Vorstellungen aufgegriffen und die Erfahrungen außen vor gelassen, die mit
den wissenschaftlichen Verständnis nicht übereinstimmen.
Bei der Konfrontationsstrategie werden kognitive Konflikte hergestellt, die
beim Lernenden einen Widerspruch mit den Erfahrungen hervorrufen. Dazu
werden die Sichtweisen vorher gesammelt, um dann die Widersprüchlichkeit
der Vorstellung zu verdeutlichen. In einer Diskussion werden die verschiedenen Sichtweisen diskutiert, damit die physikalische Sicht akzeptiert werden
kann. Währenddessen können ebenso auch Fehlvorstellungen entstehen. Wie
bei allen Schülervorstellungen muss berücksichtigt werden, dass ein Konflikt
aus Lehrersicht nicht ein Konflikt aus der Sicht des Lernenden sein muss. Die
Diskussion kann aus den eben genannten Gründen einen hohen Zeitanspruch
haben.84
Mit der Umdeutungsstrategie wird versucht, beim Lernenden ein Umdenken zu
erreichen. Ihm wird vermittelt, dass sein Wissen nicht gänzlich falsch ist, sondern lediglich ein Umdenken erfordert, das dann eine physikalisch sinnvolle
Vorstellung hervorbringt (Beispiel: Stromverbrauch wird umgedeutet in Energieumwandlung).
Mit der Brückenstrategie will man einen Konzeptwechsel insofern erleichtern,
dass dabei Zwischenschritte eingefügt werden, die zu Übergangsbegriffen führen, um eine Erklärung anhand von „Brücken“ zur Verfügung stellt, der letztendlich zu einer physikalisch richtigen Erklärung führt.
Möglich ist, dass Schüler einen Wechsel der Vorstellungen als nicht sinnvoll
erachten. Das bisherige Denken wird damit in Frage gestellt und ruft negative
Emotionen hervor, da es bspw. sehr aufwändig ist, den Vorstellungswechsel zu
integrieren. Dennoch darf nicht vergessen werden, dass physikalisches Lernen
fast immer mit einem Begriffswechsel einhergeht und Schwierigkeiten hervorruft. Dabei muss eine aufmerksame Lehrkraft entscheiden, welche Strategie für
die Schüler und für das Themengebiet am geeignetsten ist.85
83
s. Wiesner, Schecker & Hopf (2013): S. 50
vgl. ebd. S. 50
85
vgl. ebd. S. 52f.
84
32
3 Didaktische Überlegungen
Bereits Kinder im Grundschulalter sollen die Möglichkeit haben, neben den
Fähigkeiten zum Aufbau von wissenschaftlichen Theorien und den personalen
Faktoren (Neugier, Selbsterfahrung, Interesse) das wissenschaftliche Denken
durch Beobachtungen, Erfahrungen und Messungen zu unterstützen und zu
belegen. Erklärungen wie „Die Sonne zieht das Wasser aus Pfützen.“, „Luft ist
Nichts“ und „Strom wird verbraucht“ sind nicht richtig, aber im Alltag immer
wieder zu hören. Dabei ist es jedoch wichtig darauf zu achten, dass die Kinder
die falschen Erklärungen und die mögliche Lehrerreaktion nicht auf sich persönlich beziehen und sich die Erfahrungen negativ auf das Selbstbild des Kindes auswirken. Das naturwissenschaftliche Lernen soll das Vertrauen in jene
hervorbringen und das Interesse darin fördern. Eine Abkehr von den Naturwissenschaften ist häufig in höheren Klassenstufen zu beobachten und man soll
durch entsprechende Methoden dieser Tatsache entgegenwirken.86
3.2.Wetter im Sachunterricht
Das Wetter spielt in der Lebenswelt der Kinder eine grundlegende Rolle. Es
entscheidet oft über die freizeitlichen Aktivitäten der Kinder und beeinflusst ihr
Handeln maßgeblich. Kinder beschreiben das Wetter oft mit subjektiven Empfindungen, wie „schönes Wetter“, „schlechtes Wetter“. Dabei sind diese Beschreibungen im Allgemeinen aus verschiedenen Sichten zu betrachten: Ein
Kind, das draußen Fußball spielen möchte, empfindet regnerisches Wetter als
ungünstig, für einen Landwirt hingegen ist z.B. der Regen für das Wachsen
seiner Marktfrüchte entscheidend.
Ziel dieser Unterrichtseinheit ist, dass die Kinder, die jeden Tag mit dem Wetter konfrontiert werden, grundlegende Inhalte verstehen. Die Unterrichtsvorschläge sind so konzipiert, dass sie sinnvoll aufeinander aufbauen. Auch
dadurch ergibt sich eine wichtige Struktur, die zum Verständnis grundlegend
ist.
Ein Sachunterricht, der von Fragen und Ideen von Kindern ausgeht und das
Handeln und Denken in den Mittelpunkt stellt, stellt für Lehrkräfte eine hohe
Anforderung an die Sachkompetenz dar.87 Eine Schwierigkeit ergibt sich in der
Darstellung und Elementarisierung der physikalischen Darstellungen. Sie sind
86
87
vgl. Möller, Kleickmann & Sodian. Naturwissenschaftlich-technischer Lernbereich. S. 511
vgl. Berge (2006): Das Wetter.
33
3 Didaktische Überlegungen
als solche oft nicht beobachtbar, wie beispielsweise Verdunstung des Wasserdampfs. Einige grundlegende Gegebenheiten können nicht erfahren werden,
wie beispielsweise der Aufbau der Sonne oder die Atmosphäre der Erde. Sie
können lediglich durch Modelle und anschauliche Versuche dargestellt werden.
Die Kinder werden feststellen, sofern der Unterricht nicht nur aus theoretischen
Arbeitsblättern besteht, dass das Wetter als solches erkundet werden kann. Sie
können die Wettererscheinungen beobachten und sie bewerten.
3.3. Schülervorstellungen
Schülervorstellungen sind in vielen Unterrichtsbereichen, insbesondere für die
naturwissenschaftlichen Fächer, von großer Bedeutung. Die Vorstellungen der
Kinder beziehen sich dabei auf bereits bekannte physikalische Phänomene und
Begriffe, da diese ihnen im Alltag begegnen. Diese Vorstellungen widersprechen häufig den physikalischen Konzepten.88 Zusammen mit den Unterrichtsinhalten und dem vorhandenen Vorwissen der Schüler werden neue Unterrichtsinhalte erschlossen. Lernschwierigkeiten können entstehen, wenn fachliche Inhalte ein außerordentliches Maß an Aufmerksamkeit und Aufnahmebereitschaft gefordert wird oder physikalische Begriffe abstrakt wirken (Beispiel:
Erklären Lehrkräfte fachlich falsch, handelt es sich um lehrbedingte Schwierigkeiten. Entstehen können Konflikte bei der Aufnahme von neuen Inhalten,
die vom Lernenden selbst verarbeitet wird. Dabei können Inhalte verändert,
ausgelassen oder hinzugefügt werden. Jedoch haben alle Schüler bei ihren
wenn auch falschen Vorstellungen eine Logik, die unbedingt ernstgenommen
werden soll. So ist es möglich, den Unterricht gut zu planen und auf Fehlvorstellungen einzugehen. In Unterrichtsversuchen und den Untersuchungen zum
Lernerfolg konnte festgestellt werden, dass eine Berücksichtigung der Schülervorstellungen zu einer Steigerung des Lernerfolgs führt. 89 Eine relativ enge
Führung zur Lehrkraft und der Anknüpfungsstrategie bewähren sich bei grundlegenden Neustrukturierungen des Inhalts.90
Nach Schieder & Wiesner (1996) werden zu verschiedenen Bereichen Schülervorstellungen beschrieben:
88
vgl. Wiesner, Schecker & Hopf (2013): S. 34f.
vgl. ebd. S. 54
90
vgl. ebd. S. 54
89
34
3 Didaktische Überlegungen
Luft und Wind

Eine Flasche mit einem übergestülpten Luftballon wird in kaltes Wasser gestellt. Einige Schüler haben dabei erwartet, dass der Luftballon
sich aufbläst, da die Luft wegen der Kälte nach oben steigt. Jedoch
zieht sich der Luftballon hier zusammen.

Wird die Flasche in warmes Wasser gestellt, dehnt sich die Luft im
Luftballon aus. Schüler denken dazu kaum an die Ausdehnung bei der
Erwärmung. Sie haben hier die Vorstellung, dass warme Luft einfach
nach oben steigt.

Die Mehrzahl der Kinder wissen, dass Wind bewegte Luft ist.
Entstehung der Jahreszeiten

Kinder können die Entstehung der Jahreszeiten nicht erklären.

Wärmestrahlerversuch: Die meisten Kinder erwarten, dass ein Stück
senkrecht bestrahlte Fläche wärme wird als die schräg bestrahlte Fläche, da sich das Licht auf einen kleineren Fleck konzentriert.
Verdunstung und Kondensation

Schüler vermuten, dass das Wasser, das auf einer Tafel verdunstet, in
die Tafel „einzieht“ bzw. einfach weg ist.

Das Verständnis, dass das Wasser einfach verschwindet, erscheint den
meisten Kindern logischer als Substanzerhaltung.

Einige Schüler schlussfolgern, dass das Wasser sich zur Luft gewandelt
hat.
Weitere Schülervorstellungen können aus vorherigen Gesprächen festgestellt
werden. Fallen besondere Gedanken im Unterrichtsgespräch auf, sollten diese
geklärt werden.
35
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
4. Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema
Wetter im Rahmen des Grundschulsachunterrichts
Die vorangegangen Sachinformationen bieten eine Grundlage, folgende Unterrichtsvorschläge aufzubereiten und anzuwenden. Zu den Sachinformationen
werden fachdidaktische Informationen und die Lernziele der jeweiligen Einheiten angeboten. Es werden keine ausführlichen Unterrichtsentwürfe zu den einzelnen Stunden angeboten, vielmehr geht es um eine Übersicht über einen
möglichen Stundenrahmen und Unterrichtsverlauf, der individuell gestaltet
werden kann. An dieser Stelle werden lediglich Vorschläge zu den angewendeten Sozialformen gegeben, da diese ebenso individuell angepasst werden müssen. Der Anhang stellt verschiedene Arbeitsmaterialien für den Sachunterricht
vor. Diese sind mit Bezug auf die folgenden Unterrichtseinheiten erstellt worden. Die Unterrichtsvorschläge stellen Informationen zur Vorbereitung, Ziele
und Ideen zum Unterrichtsverlauf bereit. Dank eines Praktikums im Schuldorf
Bergstraße hatte ich die Möglichkeit das Thema Wetter mit Unterstützung einer Lehrkraft selbstständig zu unterrichten. Dabei war die Planung (Reihenfolge der Themen und Material) im großen Teil von der Mentorin vorbereitet.
Diese Erfahrung brachte gute Ideen zur interessanten Unterrichtsvorbereitung
als auch meines Erachtens negative Aspekte, wie beispielsweise die fehlende
Reihenfolge der Themen, die insgesamt nicht logisch aufeinander aufbauten.
Des Weiteren empfand ich den Anteil von Experimenten und naturwissenschaftlich erklärten Inhalten zu gering, sodass teilweise Lücken bei Erklärungsversuchen der Kinder entstanden, die auf den geringen Anteil zurückzuführen ist.
Im Anhang sind die erstellten Materialien zu finden.
Schwerpunktmäßig sind die Materialien für das dritte oder vierte Schuljahr
konzipiert. Nach einer Befragung im Raum Kiel91 zeigten sich zahlreiche und
vielfältige Fragen der Kinder im Bereich des Wetters. Folgende Fragen werden
in den Unterrichtsvorschlägen aufgegriffen:
91
s. Berge (2006): Das Wetter, S. 109
36
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts

Wetter: Warum gibt es das Wetter? Wie kann man das Wetter vorhersagen?

Sonne / Jahreszeiten: Warum haben wir Sommer und Winter?

Verdunstung: Warum verdunstet Wasser? Warum verdunstet die Sonne die Wolken nicht?

Wolken: Warum gibt es eigentlich Wolken? Sind Wolken Wind? Wie
entsteht eine Wolke? Woher kommen die Wolken? Warum sind Wolken manchmal grau oder schwarz? Wie schnell sind Wolken?

Wasser / Niederschläge: Was ist Tau? Wie entsteht Nebel? Warum
regnet es? Wie entsteht Wasser? Warum schneit es im Winter?
Wodurch entsteht Schnee? Wie bilden sich Schneeflocken? Was macht
Sonne bei Regen?

Luft: Wie kann man Luftdruck messen?
Des Weiteren wurden auch Fragen zu Wettererscheinungen wie Regenbögen
und Gewitter gestellt, die für den weiteren Verlauf ausgeklammert werden.
Diese Themen können bei Nachfragen selbstverständlich in eine Unterrichtseinheit eingebaut werden, jedoch wird die Themenauswahl auf das Wesentliche
und Wichtige beschränkt. Diese Fragen von Kindern sind auch von Erwachsenen nicht immer einfach zu beantworten. Die Komplexität wird durch eine gute
Struktur und verständliche Erklärungen gebrochen. Verständlichkeit zeichnet
sich aus durch Einfachheit, Gliederung/Ordnung, Prägnanz und durch anregende Zusätze.92
Für ein zusammenhängendes und übersichtliches Ergebnis bietet es sich an, aus
den verschiedenen Experimenten und Arbeitsblättern ein Heft oder eine Mappe
zu gestalten, das/die allein für die Materialien zum Thema Wetter erstellt wird.
So haben die Kinder über das Thema umfangreiche Informationen gesammelt
und können bei Bedarf immer wieder darauf zurückgreifen. Aus eigener Erfahrung weiß ich, dass sich die Kinder am Ende der Unterrichtseinheit gefreut
haben, das selbst erstellte Heft über das Thema Wetter in den Händen zu halten. Die bearbeiteten Arbeitsblätter werden in der behandelten Reihenfolge ins
Heft geklebt.
92
vgl. Langer; Schulz von Thun & Tausch (2006): Sich verständlich ausdrücken. S. 21
37
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Die Unterrichtseinheiten werden in folgender Reihenfolge dargestellt:
1. Allgemeine Einführung über den Begriff des Wetters und die Entstehung
2. Motor des Wetters 1: Strahlung der Sonne
3. Motor des Wetters 2: Luft und Wind
4. Motor des Wetters 3: Wasser
5. Treibhauseffekt und Ozon
Es empfiehlt sich, die Einheiten nach Möglichkeit in der angegebenen Reihenfolge durchzuführen, da sie thematisch aufeinander aufbauen und die einzelnen
Bereiche vertiefend behandelt werden.
Für die Einheiten bieten sich verschiedene Experimente und Arbeitsblätter zur
Verdeutlichung und Unterstützung zu den Erklärungen an, die folgend zu den
einzelnen Unterrichtseinheiten sortiert werden:
Unterrichtseinheit Thema
1. Wetter - Einführung
Experiment/
Arbeitsblatt (AB)/Material
AB Wettererscheinungen
Deckblatt Wetterbuch
AB Deckblatt
Wetterbeobachtung
2. Strahlung der
Sonne
AB Vereinfachte Wetterbeobachtung
Experiment „Globus und Lampe“
Einstrahlwinkel der
Sonne
≙
Jahreszeiten
Experiment „Wärmestrahlerversuch“
Absorption und Reflexion von Sonnenstrahlen
Experiment „Schwarze Dose, weiße
Dose“
Experiment „Unterschiedliche Erwärmung der Böden“
Luft nimmt Platz ein
Experiment „Tetrapack“
Experiment „Luftballon in der Flasche“
Experiment „Trichterversuch“
Luft wiegt etwas
Experiment „Ball wiegen“
Experiment „Ballwaage“
Luftdruck
Experiment „Luft drückt“
3. Luft und Wind
Karten mit Eigenschaften
38
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Luft kann unterschiedliche Temperaturen haben
AB Thermometer
Warme Luft steigt
nach oben
Herdplatte und Feder
Messung von Wind
Joghurtbecher - Windmesser
Luftdruckunterschiede
See- und Landwind
4. Wasser und
Niederschlag
Experiment „Luftballon auf der Flasche“
Luftdruckunterschiede
AB See- und Landwind
Verdunstung
Tafelschwamm
Pflanzen im Glas
Kondensation
„Scheibe anhauchen“
Niederschlagsmesser
Niederschlag
Nebel in der Flasche
Wolken
AB Wolkenarten
Wasserkreislauf
Tafelbild „Tröpfchen“
5a. Treibhauseffekt
Treibhauseffekt
5b. Ozon
Ozon – Was ist das?
6. Abschluss
Beobachtung
AB Treibhauseffekt
AB Beobachtungsbogen
Tabelle 5: Übersicht der Experimente
K ≙ Arbeitsblatt
K ≙ Experiment
K ≙ Sonstiges Material
39
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Kurzbeschreibung der Einheiten mit ihren Lernzielen
In der ersten Einheit werden die Schüler in das Thema Wetter eingeführt.
Durch eine Beschreibung des Wetters werden bereits einige Wetterphänomene
genannt, auf die später eingegangen wird. Kinder haben von den physikalischen Begebenheiten Vorerfahrungen gesammelt. Sie werden versuchen, die
neu erfahrenden Bereiche mit ihnen zu verknüpfen. Damit ein zusammenhängendes Werk der Kinder als ein Nachschlagewerk entsteht, wird in der ersten
Einheit ein Deckblatt für das Wetterbuch entworfen. Als Überleitung zur zweiten Unterrichtseinheit sollen Sonne, Wolken, Niederschläge und Wind beobachtet werden. Die Beobachtungen sind ohne Messgeräte durchführbar.
In der zweiten Unterrichtseinheit soll die Sonne als Motor für das Wetter
verstanden werden. In einem Experiment wird dargestellt, dass senkrecht einfallende Sonnenstrahlung eine schnellere und stärkere Erwärmung bewirkt als
eine schräg einfallende Strahlung. Anhand dieses Versuches werden die Jahreszeiten erklärt. Eine genauere Charakterisierung der Jahreszeiten findet durch
das gemeinsame Suchen mithilfe von Merkmalkarten statt. Die Auswirkungen
auf unterschiedliche Böden werden hier thematisiert.
Die dritte Einheit behandelt die Luft und den Wind als Element des Wetters.
Kinder sollen verstehen, dass Luft nicht „nichts“ ist, dass sie Raum einnimmt
und etwas wiegt. Anhand von Versuchen (Luftballon in der Flasche, Ball wiegen, Luft drückt) wird dies deutlich gemacht. Außerdem wird gezeigt, dass
Luft in Abhängigkeit von der Temperatur ihr Volumen ändert, sich ausdehnen
und zusammenziehen kann (Luftballon auf der Flasche). Da Wind verschiedene Geschwindigkeiten haben kann, wird dies mit einem Windgeschwindigkeitsmesser ausprobiert (Jogurtbecher). Durch Druckausgleich entsteht Wind,
was durch ein Arbeitsblatt „See- und Landwind“ verdeutlicht und erklärt wird.
Die vierte Unterrichtseinheit befasst sich mit dem Wasser und dessen Bezug
zu Wettererscheinungen. Das Wasser beeinflusst das Wetter sowohl in Gestalt
von Niederschlägen, den Gehalt an Wasserdampf in der Luft und sein Vorhandensein in Gewässern. Die Phänomene der Verdunstung und der Kondensation
werden hier besprochen. Auf dieser Grundlage werden die Niederschläge thematisiert und gemeinsam ein Niederschlagsmesser gebaut. Den Abschluss der
40
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Einheit bildet der Wasserkreislauf. Da die Verdunstung und Kondensation für
das Verständnis des Kreislaufes benötigt wird, wird sie an das Ende der Einheit
gestellt.
Die fünfte Einheit bietet einen Exkurs. Da Kinder den Begriff des Treibhauseffektes in den Nachrichten, Büchern und Gesprächen hören und dieser Effekt
ihr Leben nachhaltig beeinflussen wird, ist es sinnvoll diesen zu erklären und
ins Verhältnis zu den bereits behandelten Themen zu bringen.
Die sechste Einheit bringt alle Themenbereiche zusammen und wird mit der
Beobachtung des Wetters über beispielsweise eine Woche beendet. Zu diesem
Zeitpunkt wissen die Kinder, dass das Wetter das Ergebnis des Zusammenwirkens von Sonne, Luft und Wasser ist. Niederschläge können benannt werden.
Die Kinder sollen über eine Woche hinweg, das Wetter immer zu einer bestimmten Zeit beobachten und notieren. Die Beobachtungen werden nach Ablauf des Zeitraumes besprochen. Gegebenenfalls wird auch hier deutlich, dass
das Wetter ein orts- und zeitabhängiges Geschehen ist, da sich unterschiedliche
Beobachtungen ergeben könnten.
Zu diversen Experimenten und Themenbereichen sind Arbeitsblätter zu finden,
die eine Zusammenfassung und Ergebnissicherung darstellen.
4.1. Einheit 1: Das Wetter – Eine Einführung
Für einen Einblick in die Einführung des Thema Wetters in der Grundschule
werden zu Beginn zwei Unterrichtsstunden als exemplarisches Beispiel mit
genauer Einteilung von Unterrichtsphasen genannt. Ein tabellarischer Verlauf
ist am Ende der ersten beiden Unterrichtsvorschläge zu finden. Da im weiteren
Verlauf zunehmend mehr Experimente hinzugenommen werden und dies individuell geplant und angepasst werden muss, werden nur noch geplante Unterrichtszeiten für einen kompletten Abschnitt gegeben. Experimente sind mit
einem grünen Rahmen gekennzeichnet. Es werden teilweise mehrere Versuche
dargestellt, die gleiche physikalische Erscheinungen verdeutlichen. Da nicht
immer die benötigten Materialien vorhanden sind, werden hier Alternativen
angeboten.
41
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Stunde 1
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 90 Minuten
Unterrichtseinheit
Teilschritte der Einheit
Gespräch über Wetter:
Was verstehst du unter Wetter? Was ist dein Lieb-
Das Wetter – Eine
Einführung
lingswetter?
Was gehört zum Wetter?
Einordnung der Wetterphänomene zu Sonne, Luft oder
Wasser
Tabelle 6: Einheit 1 - Teilschritte
Das Ziel der Unterrichtseinheit „Wetter – Eine Einführung“ ist, dass die Kinder
den Zusammenhang des Wettergeschehens von Sonne, Luft und Wasser erkennen und dass alle Wettergeschehnisse sich durch diese beeinflussen. Die Erde
ist von einer Lufthülle umschlossen, die Atmosphäre genannt wird. Das Interesse für das Thema Wetter soll damit geweckt werden, das zu Beginn beim
Lieblingswetter der Kinder verbalisiert wird. Ebenso soll begründet werden,
warum es sich um ein bestimmtes Lieblingswetter handelt. Die Kinder werden
von ihren Erfahrungen berichten, die sie in bestimmten Wettersituationen bereits gemacht haben. Die Lehrkraft stellt mit dieser Einführung auch die Erstellung des bzw. der Wetterheftes/Wettermappe vor. Die Arbeitsmaterialien werden gesammelt und sortiert eingeheftet. Bei einer Anfertigung eines Heftes ist
beim Kopieren des Materials darauf zu achten, keinen beidseitigen Druck auszuführen.
Materialien für die gesamte Einheit

Hefte bzw. Mappen für das Wetterbuch

Deckblatt

Arbeitsblatt Wettererscheinungen
42
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Unterrichtsverlauf
Das Malen des Lieblingswetters auf dem Deckblatt kann als eine Hausaufgabe
an die Unterrichtsstunde angestellt werden.
Für die Einführung des Thema Wetters sind etwa 15 Minuten einzuplanen. Die
Schüler werden in einem Sitzkreis gefragt, welches ihr Lieblingswetter ist.
Weiter kann gefragt werden, was sie unter Wetter verstehen. Deutlich soll
der Unterschied zwischen Klima und der temporären Erscheinung des Wetters
werden. Das Klima ist eine jahrelange übergreifende Beobachtung der Merkmale, wohingegen das Wettergeschehen zu einem bestimmten Zeitpunkt an
einem bestimmten Ort stattfindet. Der Sitzkreis ermöglicht eine gute Gesprächsatmosphäre und stellt die Lehrkraft als hierarchisch nicht höher gestellt. Bei
dem Gespräch sollen die Kinder auch eine Begründung oder ein bestimmtes
Erlebnis dazu beschreiben. Einige Kinder werden dabei von bestimmten Erlebnissen sprechen, die sie mit einem bestimmten Wetter in Verbindung bringen.
Die offene Frage ermöglicht vielen Kindern die Möglichkeit etwas dazu zu
sagen. Dabei ist es zu empfehlen, die Erzählungen nicht abzubrechen, um Ergebnisse zu sammeln und Interesse und Motivation nicht zu unterbinden. Aus
diesem Grund ist für diese Einheit eine Zeitspanne von 15 Minuten nur für das
Gespräch ausgewählt worden.
Die Lehrkraft kann mit den Kindern nach dem Kreisgespräch Merkmale von
Wetter auf Basis des Gespräches erarbeiten. Diese Notizen werden an der Tafel
festgehalten. Dazu reicht eine stichpunktartige Aufzählung aus. Dabei ist darauf zu achten, dass ein Bereich der Tafel freigehalten wird.
Dort wird eine Übersicht wie auf dem Arbeitsblatt „Wettererscheinungen“ unter Aufgabe 1 erstellt und erklärt. Die Kinder füllen die Tabelle selbstständig
aus und führen die Tabelle fort. Das Lieblingswetter ist ebenso thematisiert
worden. Das Deckblatt soll zur anschließenden Bearbeitung zur Verfügung
stellen. Somit ist ein differenzierendes Angebot für schnellere Schüler gegeben. Die Aufgaben, die in der Schule nicht bearbeitet werden, werden zu Hause
fertiggestellt. Die tabellarische Übersicht der Stunde ergibt sich damit aus den
vorgestellten Teilschritten.
43
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Zeit (Minuten)
15 min
10 min
20 min
Aktion
Material
Gespräch über Wetter: Was verstehst du unter Wetter? Was ist
dein Lieblingswetter?
Was gehört zum Wetter? (Merkmale und Eigenschaften)
Wodurch wird das Wettergeschehen beeinflusst? (die Sonne, das
Wasser und die Luft)
Tafel zum Festhalten
von Notizen
Vorstellung des Wetterheftes
Selbstständige Einordnung der
Kinder von Merkmalen im Wetterheft
Mappen/Hefte
Beginn: Deckblattgestaltung
AB: Deckblatt
AB: Einordnung Wettererscheinungen Nr. 1
Hausaufgabe:
1. Deckblatt gestalten
2. Einordnung fortführen und fertigstellen
Tabelle 7: Stunde 1 – Vorschlag
Stunde 2
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 45 Minuten
Das Ziel der zweiten Stunde ist, dass die Schüler erkennen, welche Auswirkungen das Wetter auf verschiedene Lebewesen hat. Außerdem soll mit der
vereinfachten Beobachtung des Wetters über einen längeren Zeitraum die
Grundlage für eine ausführliche Beobachtung am Ende der Einheit gegeben
sein. Die Kinder üben sich im Beobachten und Notieren der Ergebnisse und
lernen so Teile des wissenschaftlichen Arbeitens kennen. Die Wetterbeobachtung könnte aus Zeitgründen zunächst außer Acht gelassen werden, da eine
genauere Wetterbeobachtung im Anschluss an die Grundlagen der Einheit mit
Einbezug der neuen Erkenntnisse folgt. Die Schüler sollen die Auswirkungen
der Sonneneinstrahlung (Jahreszeiten) und deren Merkmale kennenlernen. Anhand des Wärmestrahlerversuchs wird deutlich, weshalb die unterschiedlichen
44
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Jahreszeiten entstehen. Mit der Versuchserarbeitung werden die Grundschüler
in die Erstellung eines Versuchsprotokolls eingeführt, das zum wissenschaftlichen Arbeiten und Dokumentieren benötigt wird.
Material für die Einheit

AB: Wettererscheinungen

AB: Wetterbeobachtung

Versuch: Wärmestrahlerversuch

Arbeitsblatt „Wärmestrahlerversuch“
Unterrichtsverlauf
Die zweite Stunde befasst sich mit der Kontrolle der Hausaufgaben und der
Erarbeitung der folgenden Aufgaben des Arbeitsblattes „Wettererscheinungen“. Die weiteren Aufgaben lauten:
2. Welche Auswirkungen haben die Wettererscheinungen auf den Menschen und auf die Tiere?
3. Sind die Auswirkungen gut oder schlecht?
Die Schüler sollen erkennen, dass sich alle Wettererscheinungen auf die Sonne,
die Luft und das Wasser zurückführen lassen. Die drei Komponenten sind entscheidend für das Wettergeschehen der Erde. Aufbauend darauf wird mit den
Schülern erarbeitet, welche Auswirkungen die Wettererscheinungen auf Menschen und Tiere haben. Mit der Frage, ob diese Effekte negativ bzw. positiv
verlaufen, soll begründet werden, für wen oder was diese Auswirkungen gut
oder schlecht sind. Die Kinder merken, dass eine genauere Beschreibung des
Wetters dabei wichtig ist. Wie bereits genannt benötigen Landwirte regnerisches Wetter für eine profitable Ernte, die Kinder werden dies jedoch als
„schlechtes Wetter“ bezeichnen. Die Aufgabe bezweckt, dass eine Beschreibung von Werten wie gut oder schlecht nicht ausreichend ist. Es bedarf damit
einer genauen Beschreibung einzelner Eigenschaften.
Darauf aufbauend ist mit den Schülern eine vereinfachte Übersicht über bestimmte Merkmale wie Sonnenschein und Bewölkung, Wasser (Niederschläge)
und Luft (Wind) zu erarbeiten. In der vereinfachten Übersicht werden noch
45
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
keine Merkmale gemessen, beispielsweise die Temperatur. Menschen beschreiben das Wetter als „kalt“ oder „warm“, wobei dies ein subjektives Empfinden ist. Einer empfindet 20°C im T-Shirt bekleidet als warm, ein anderer
zieht sich eine dicke Jacke an. Der zweiten Unterrichtseinheit soll nicht vorweg
gegriffen werden, dennoch wird das Thermometer für den Wärmestrahlerversuch kurz angesprochen. Für eine Vereinfachung des Ablesens empfiehlt sich
hier zunächst ein Infrarotthermometer. Die Übersicht ist so aufgebaut, dass die
Kinder die Tabelle ohne Hilfsmittel wie bestimmten Messgeräten bearbeiten
können. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Beobachtungen möglichst
von allen immer zur gleichen Zeit erfolgen sollen, da so ein vergleichbares
Ergebnis erzielt wird. Begriffe wie Niederschlag sollten vorab geklärt werden.
Diese Beobachtung ist eine Wochenaufgabe und umfasst eine Zeitspanne von
fünf Tagen. Nach Beendigung des Zeitraumes sollte das Arbeitsblatt besprochen werden. Es werden dabei zum Teil unterschiedliche Ergebnisse auftauchen. Dies ist damit zu erklären, dass das Wetter ein Zustand zu einer bestimmten Zeit an einem bestimmten Ort ist.
4.2. Einheit 2: Strahlung der Sonne
Unterrichtseinheit
Strahlung der Sonne
Teilschritte der Einheit

Erwärmung der Erde durch Sonnenstrahlen

Sonne als Motor für das Wetter

Erde und Atmosphäre

Jahreszeiten: Unterschiedliche Erwärmung der
Erde (Wärmestrahlerversuch)

Jahreszeiten in ihren Merkmalen kennenlernen
Absorption und Reflexion der Sonnenstrahlen
Tabelle 8: Einheit 2 - Teilschritte
In dieser Unterrichtseinheit lernen die Kinder die Sonne als den Motor für Wetter kennen. Die Auswirkungen der Einstrahlwinkel der Sonne bzw. Reflexion
und Absorption werden anhand der Versuche verdeutlicht. Durch die Schrägstellung der Erdachse ergeben sich die verschiedenen Bedingungen der Jahreszeiten.
46
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Die Erde wird durch die Sonnenstrahlen erwärmt. Ohne eine Atmosphäre würde es keinen für uns gesunden Wärmehaushalt geben. Die Erde würde sehr
erhitzt werden, jedoch würde die Wärme auch ohne Hindernis ins Weltall zurückweichen können. Wichtig ist, dass die Kinder verstehen, dass die Erde von
einer Schutzhülle umgeben ist, die mit Gas gefüllt ist. Durch die verschiedene
Erwärmung ergeben sich die Jahreszeiten, die in ihren Merkmalen kennengelernt werden sollen. Mithilfe eines Globus (oder einer selbst erstellten Weltkugel) und einer Stehlampe, die die Sonne symbolisiert, kann die Stellung der
Erde im Verhältnis zu der Sonne verdeutlicht werden. Bei dieser Darstellung
muss verdeutlicht werden, dass
8 sich die Erde um ihre eigene Achse dreht (Tag und Nacht),
8 die Rotationsachse nicht senkrecht zur Erde steht (Einstrahlwinkel),
8 sich die Erde zusätzlich um die Sonne dreht (Jahreszeiten).
Material „Erde im Weltall“



Globus bzw. selbst erstellte Weltkugel93
Stehlampe (min. 60 W)
Markierung, um den Wohnort auf dem Globus zu markieren
Vorbereitung
Eine Weltkugel aus einem Styroporball94 selbst zu erstellen, ist sinnvoll, sofern
kein geeigneter Globus vorhanden ist. Sicher ist die Erstellung jedoch sehr zeitintensiv, weshalb ein geeigneter Globus ausreichend wäre.
Durchführung
Die Lampe wird für alle gut sichtbar in die Mitte gestellt. Es wird erklärt, dass
die gedachte Achse nicht gerade nach unten führt, sondern schräg steht. Die
Erde dreht sich um sich selbst, was wir als Tag und Nacht wahrnehmen können. Anhand der Markierung wird deutlich, wenn man die Erdkugel dreht,
93
94
vgl. Lauterbach (1999): S.47
vgl. Olk (2012): S. 47
47
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
wann dieser Ort beschienen wird und wann es dunkel ist. Die Jahreszeiten entstehen zum einen dadurch, dass sich die Erde um die Sonne dreht und dass die
Erdachse schräg steht. Die einzelnen Beobachtungen werden deutlich am Modell gezeigt und besprochen, da dies nicht einfach zu verstehen ist. Die Kinder
beobachten nun, ob ihr Wohnort im Licht oder im Dunklen liegt. Bei jedem
Umlauf um die Sonne wird einmal die nördliche und einmal die südliche Erdhälfte stärker erwärmt.
Um die Entstehung der Jahreszeiten aufgrund der unterschiedlichen Sonneneinstrahlung zu verdeutlichen, wird der Wärmestrahlerversuch aufgebaut.
Material „Wärmestrahlerversuch“









2 gleiche Infrarotlampen (Leistung hier: 150 W)
2 gleiche, möglichst flache Gefäße
Blumenerde
Sprühflasche mit Wasser zum Befeuchten der Erde
Tonpapier oder dünne Pappe
2 Stative zum Halten der Wärmelampen
2 gleichlange Holzstäbe
Tesafilm
Digitalthermometer bzw. Infrarotthermometer
Vorbereitung
Die Gefäße werden in gleicher Höhe mit Blumenerde befüllt und mit einer
Sprühflasche leicht befeuchtet. Das Tonpapier bzw. die dünne Pappe wird zwischen Lampenschirm und Glühlampe befestigt. Diese dienen dazu, das Licht in
die Gefäße hinein zu bündeln. Um den Abstand der Lampen trotz der unterschiedlichen Haltung gleich zu halten, sind an die Lampe die Holzstäbe anzubringen. Ebenso wie die gleichen Lampen (jeweils 150 W) haben auch die Abstandshalter den Sinn, dass für die parallel laufenden Versuche die gleichen
Rahmenbedingungen vorherrschen.
Die meisten Kinder erwarten, dass der Erdboden, der mit einem Wärmestrahler
senkrecht bestrahlt wird, wärmer wird als der schräg bestrahlte Erdboden, weil
mehr Licht auf einer kleineren Fläche gelangt.
48
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung 11: Wärmestrahlerversuch
Durchführung
Die Lampen werden zu Versuchsbeginn gleichzeitig eingeschaltet. Schon jetzt
ist eine unterschiedliche Größe der Lichtflecken erkennbar. Kinder können ihre
Hände darunter halten und werden feststellen, dass eine unterschiedliche Intensität der Wärme spürbar ist. Die Durchführung dauert etwa fünf Minuten. Zu
empfehlen sind mindestens drei Messungen, zu Beginn, nach etwa 2-3 Minuten
und am Ende des Versuches. Sofern ein Infrarotthermometer zur Verfügung
steht, werden die Messungen damit durchgeführt. Dieses bietet im Gegensatz
zum Haushaltsthermometer eine Messung der Temperatur der Fläche an und
nicht auf einem Punkt. Dabei ist die Höhe des Thermometers bei beiden Messungen gleich.
Ergebnis
Zeit der Messung
Sonneneinstrahlwinkel
schräg in °C
Beginn
nach ca. 2 Minuten
Ende (nach 4 Minuten)
20,1
26,4
27,7
Sonneneinstrahlwinkel
gerade in °C
Temperaturdifferenz in K
20,2
31,8
34,9
0,1
5,4
7,2
Tabelle 9: Wärmestrahlerversuch Ergebnis
Ergebnissicherung/Erkenntnis
8 Fällt das Lichtbündel der Sonne senkrecht auf die Erde ein, wird ein
kleiner Fleck beleuchtet. Das Licht erwärmt den Erdboden.
8 Fällt das Lichtbündel der Sonne schräg auf die Erde ein, verteilt sich
das Licht auf einen großen Fleck. Dadurch wird der Erdboden nicht so
stark erwärmt wie bei der Konzentration auf einen kleinen Fleck.
49
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Die Merkmale der einzelnen Jahreszeiten werden anschließend besprochen.
Die Jahreszeiten entstehen durch den Einstrahlwinkel der Sonne auf die Erde,
wie auch durch die Drehung der Erde um die Sonne. Eine Umrundung dauert
365 Tage, ein Jahr.
(s. Kap. 2.2.1.)
Erkenntnis/Ergebnissicherung
Als eine gemeinsame Sicherung des Ergebnisses wird folgendes vorgeschlagen:
Im Sommer fällt das Licht senkrecht auf die Erde und die erwärmte Fläche ist kleiner und wird damit stärker von der Sonne erwärmt. Im Winter
fällt das Sonnenlicht schräg auf die Erde. Die erwärmte Fläche ist größer
und sie wird nicht so stark erwärmt.95
Für die Durchführung im Unterrichtsgeschehen ist es interessant vor Versuchsbeginn die Aussagen der Kinder zu hören. Sie sollen Vermutungen anstellen,
ob und was bei den unterschiedlichen Einstrahlwinkeln passieren wird. Der
Begriff „Winkel“ wird den Schülern noch nicht geläufig sein. Die Formulierung ist in diesem Fall „schräg und senkrecht einfallendes Sonnenlicht“. Die
Vermutungen werden auf dem Arbeitsblatt „Wärmestrahlerversuch“ dokumentiert. Die Messung kann von den Kindern selbst ausgeführt werden. Die Kinder
notieren ihre Werte an der Tafel. Alle notieren sich die Werte auf ihrem Arbeitsblatt. Die Kinder sollen den Versuch nicht als einen abstrakten Schulver95
vgl. Olk (2012): S. 52
50
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
such wahrnehmen, sondern als ein Versuch für die Umsetzung der Realität in
ein Modell. Dabei muss die Lehrkraft ausreichend verdeutlichen, dass es bei
den Lampen um die Sonneneinstrahlung handelt, die auf die Erdoberfläche
scheint. Der Holzstab suggeriert, dass der Abstand von Erde und Sonne immer
gleich ist und lediglich der Winkel den Unterschied macht. Die beiden Behältnisse stehen vor die Darstellung von Sommer und Winter.96 Das Experiment
wird durchgeführt. Anschließend wird in einem gemeinsamen Gespräch geklärt, welche Vermutungen sich bestätigt haben und welche nicht.
Eine Fertigstellung des Arbeitsblattes und die Bearbeitung der Wetterbeobachtung über fünf Tage werden zu Hause erledigt. Eine Zusammenfassung des
Versuches und eine gemeinsame Ergebnissicherung ist sinnvoll, so dass die
Kinder das Experiment im Wesentlichen vorliegen haben und ihre Beobachtungen mit der physikalischen Erklärung in Verbindung bringen können.
Zeit (Minuten)
5 min
5 min
25 min
Aktion
Material
Auswirkungen der Wettererscheinungen auf Menschen und
Tiere
Erklärung Wetterbeobachtung
Beginn Einheit Sonne
Erwärmung der Erde durch
Sonnenstrahlen  Aufbau der
Erde, Atmosphäre
AB: Wettererscheinungen
Verschiedene Jahreszeiten kennenlernen
Karten mit Informationen
Grund der Jahreszeiten: Einstrahlwinkel der Sonne
Sonnenstrahlenversuch
(bereits vorbereitet)
AB: Wetterbeobachtung
Tafelbild
Erde im Weltall
Erarbeitung und Beobachtung
AB: Sonnenstrahlenverdes Geschehnisses
such
Hausaufgabe: Festhalten der Ergebnisse des Wärmestrahlerversuchs
10 min
Tabelle 10: Stunde 2
96
vgl. Olk (2012): S. 52
51
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Stunde 3 und 4
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 90 Minuten
Material für die gesamte Einheit

Experiment „Schwarze Dose, weiße Dose“

Arbeitsblatt „Schwarze Dose, weiße Dose“

Experiment „Unterschiedliche Erwärmung von Böden“
In der dritten Sachunterrichtsstunde werden Absorption und Reflexion des
Lichtes thematisiert (Kap. 2.2.). Die Kinder erfahren, warum sich bestimmte
Materialien in der Sonne schneller erwärmen als andere. Zudem ist dies die
Grundlage für die Entstehung von Wind (Druckausgleichen), der in der 7.
Stunde thematisiert wird. Der Versuch „Schwarze Dose, weiße Dose“ folgt
zuerst. Da die Reflexion und die Absorption an der schwarzen und weißen Dosen anhand des Temperaturunterschiedes deutlich werden und keine Zwischenstufen (wie grau) gegeben sind, wird dieser Versuch zuerst vorgestellt. Der
Bezug lässt sich hierbei auch zur passenden Kleidung herstellen, da die Kinder
bereits teilweise wissen, dass schwarze Kleidung im Sommer wärmer wird als
weiße. Schüler hatten dabei die Vorstellung, dass die schwarze Kleidung die
Wärme anzieht, was bei der weißen Kleidung nicht der Fall wäre. 97 An dieser
Vorstellung muss angesetzt werden: Die Kleidung zieht keine Wärme an, es
geht hierbei zunächst um die energiereichen Strahlen, die von der Sonne ausgehen. Diese werden vom schwarzen Stoff absorbiert, das heißt, dass die Energie der Strahlen nicht wieder abgegeben wird, sondern aufgenommen. Die
Energie der Sonne ist in Form von Wärme für uns spürbar.
Bei der weißen Dose wird der Großteil der energiereichen Strahlung reflektiert.
Die Energie, die sich in Wärme umwandeln kann, wird damit reflektiert, weshalb der Temperaturanstieg nicht so stark wie bei der dunklen Dose sein wird.
97
Diese Information stammt aus einem Plenumsgespräch in einer dritten Klasse während eines
Praktikums im Schuldorf Bergstraße in Seeheim-Jugenheim.
52
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Material „Schwarze Dose, weiße Dose“




zwei gleiche Dosen mit möglichst dünnen Wänden
Papier bzw. dünner Tonkarton gleicher Art in schwarz und weiß
Tesafilm oder Klebstift
Digitalthermometer
Schwarze Dose
Temperatur in °C
Weiße Dose
Temperatur in °C
Beginn
21,7
21,7
nach 1 Minute
25,9
24,4
nach 2 Minuten
28,0
26,7
nach 3 Minuten
30,6
27,2
nach 4 Minuten
33,3
28,1
Zeit
Tabelle 11: "Schwarze Dose, weiße Dose" mit Luft
Schwarze Dose
Temperatur in °C
Weiße Dose
Temperatur in °C
Beginn
15,0
15,0
nach 10 Minuten
17,6
17,2
nach 20 Minuten
19,2
18,2
nach 30 Minuten
20,8
19,6
nach 40 Minuten
22,3
20,1
nach 50 Minuten
23,7
21,1
nach 60 Minuten
23,9
21,5
Zeit
Tabelle 12: "Schwarze Dose, weiße Dose" mit Wasser
53
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung 12: Schwarze und weiße Dose
Vorbereitung
Die Dosen können bereits vorab mit dem schwarzen und weißen Papier beklebt
werden. Ein Deckel verhindert eine starke Konvektion. Steht kein Deckel zur
Verfügung, kann man die Dose mit dem Boden nach oben platzieren. Eine Voraussetzung ist, dass innerhalb des Klassenzimmers ein sonniger Platz gefunden wird. Da dies von vielen Faktoren abhängt, ist eine Alternative mit einer
Wärmelampe gegeben. Beide Dosen müssen die gleichen Rahmenbedingungen
haben. Dazu gehört, dass der schwarze und der weiße Bogen und beide Dosen
gleicher Art sind. Für ein schnelleres Ergebnis empfiehlt sich, dünnwandige
Dosen zu verwenden.
Durchführung
Beide Dosen werden nebeneinander an einen sonnigen Platz gestellt. Zu unterschiedlichen Zeiten wird das Thermometer in die Dosen gehalten und gemessen. Abhängig ist die Veränderung von der Intensität der Sonnenstrahlung.
Auch bei diesem Experiment sollen die Kinder zunächst Vermutungen anstellen, die sie in der Wartezeit kundtun können. Gemeinsam kann diskutiert werden, warum es da ggf. andere Ansichten gibt und was demnach bei dem Experiment herauskommt. Dass manche Kinder bereits wissen, dass man schwitzt,
wenn man im Sommer schwarze Kleidung trägt, könnte diesbezüglich interessant sein, da sie somit schlussfolgern können, was passiert. Dieser Vorschlag
54
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
wird jedoch nur gemacht, sofern der Bezug von der schwarzen Kleidung zur
schwarzen Dose gelingt.
Ebenso kann dies noch mit Wasser gefüllten Dosen ausprobiert werden. Dabei
muss mehr Zeit eingeplant werden, sofern er im Sonnenlicht ausgeführt wird.
Um ihn jedoch in der Schulzeit durchzuführen, wäre es auch hier möglich,
zwei identische Wärmelampen einzusetzen.
Erkenntnis/Ergebnissicherung
Scheint die Sonne auf einen Gegenstand, wird ein Teil des Lichtes reflektiert (zurückgeworfen) und der andere Teil wird absorbiert (aufgenommen / geschluckt). Je dunkler die Farbe des Gegenstandes, desto mehr
wird absorbiert (aufgenommen). Je heller die Farbe des Gegenstandes,
desto mehr wird reflektiert (zurückgeworfen).98
1
Das Experiment, das unterschiedliche Böden in Verbindung mit der Wirkung der Sonnenstrahlen bringt, ist umfangreicher und komplexer und
wird daher an den Schluss der Unterrichtsstunde gestellt bzw. in die
nächste Unterrichtsstunde verschoben.
Material „Unterschiedliche Erwärmung von Böden“

5 gleiche Schüsselchen, die befüllt werden mit
8 nassem Sand
8 Sand
8 Erde
8 Erde mit Kresse
8 und Wasser.
98

Digitalthermometer

weißer Untergrund (bspw. weiße Pappe)
vgl. Olk (2012): S. 56
55
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung
13: Diverse Materialien
in Gläsern
Messergebnisse
(2. April 2014,
Lufttemperatur
20°C)
Alle gemessenen Temperaturen sind in °C angegeben.
Uhrzeit
19,5
19,0
21,5
24,5
19,6
18,7
17,6
trockener
Sand
20,9
23,6
26,4
31,2
25,2
22,9
21,8
5,0 K
10,3 K
nasser Sand
14:00
15:00
15:30
16:30
17:00
17:15
17:30
Temperaturdifferenz
(K)99
17,2
22,3
24,6
30,8
24,5
24,1
22,6
Erde mit
Kresse
16,8
18,1
18,3
19,5
17,9
17,3
16,9
13,6 K
2,7 K
Erde
Wasser
18,0
18,7
18,8
23,3
20,1
18,9
18,3
4,3 K
Tabelle 13: Messergebnisse "Unterschiedliche Erwärmung"
Im Vergleich hierzu die Differenz von Höchst- und Endwert:
Temperaturdifferenz
(K)100
6,9 K
9,4 K
8,2 K
7,6 K
5,0 K
Ergebnis
Bei dieser Messung von unterschiedlichen Materialien werden unterschiedlich
schnelle Erwärmungen und Abkühlungen festgestellt. Dabei ist der Wert des
99
Die Temperaturdifferenz bezieht sich hierbei auf die Differenz zwischen Anfangswert
(14:00) und Höchstwert (16:30)  Temperaturanstieg.
100
Die Temperaturdifferenz bezieht sich hierbei auf die Differenz zwischen Höchstwert
(16:30) und Endwert (17:30)  Temperaturabfall.
56
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Anstiegs bzw. des Abfalls abhängig vom jeweiligen Boden. 16:30 Uhr tritt die
Höchsttemperatur aller Materialen ein. Ebenso ist bei allen ein folgender Temperaturabfall zu beobachten. Die stärkste Erwärmung ist bei der Erde zu erkennen, gefolgt vom trockenen Sand. Die Erde absorbiert einen großen Teil der
Sonnenstrahlen. Vergleicht man die Wassertemperaturen und die des Sandes,
wird deutlich, dass sich der Sand erheblich schneller aufwärmt, aber auch
schneller abkühlt. Der Grund liegt in der Wärmekapazität des Materials: Der
Sand hat eine spezifische Wärmekapazität von 0,835 kJ/(kgK), das Wasser
hingegen hat eine spezifische Wärmekapazität von 4,186 kJ/kgK (bei ca.
20°C). Umso weniger Wärmeenergie ein Stoff in sich selbst speichern kann,
desto schneller passt sich dieser an die Umgebungstemperatur an. 101 Ebenso
interessant ist, dass sich der nasse Sand weniger stark erwärmt als der trockene.
Das Prinzip entspricht in etwa dem Schwitzen beim Menschen. Des Weiteren
zählt hier die Wärmekapazität: Durch Wasser auf der Oberfläche entsteht eine
Verdunstung, die die Verdunstungskälte hervorruft. Darum ergibt sich beim
nassen Sand eine Temperaturdifferenz bis zum Höchstwert von etwa 5 K, beim
trockenen Sand jedoch ein Wert, der mehr als doppelt so hoch ist: 10,3 K. Interessant ist, dass sich der Wert der Wassertemperatur insgesamt am wenigsten
verändert hat und relativ konstant geblieben ist. Der Durchschnittswert des
Wassers beträgt 19,44 °C, womit eine Annäherung an die Umgebungstemperatur zwar erkennbar ist, jedoch keine zusätzlich starke Erwärmung durch Sonneneinstrahlung. Durch die Reflexionseigenschaften (Reflexionswert) des
Wassers und durch einen recht niedrigen Sonnenstand ergibt sich ein hoher
Reflexionswert, d.h., dass wenig Sonnenstrahlen absorbiert werden und damit
keine starke Erwärmung durch die energiereiche Strahlung geschehen kann.
Es empfiehlt sich dieses Experiment mehrmals zuvor auszutesten, um optimale
Bedingungen zu schaffen. Durch die wiederholte Ausführung des Experimentes zeigt sich, dass es sinnvoll ist, die verschiedenen Materialien vorab an die
Umgebungstemperatur anzupassen. Bezogen auf die gezeigte Versuchsdurchführung wurden die Materialien vor Messungsbeginn in den Schatten gestellt,
sodass sie keine extreme Bodenwärme annehmen konnten. Die Anfangstemperaturen waren in diesem Fall nicht gleich. Auch die Kinder werden feststellen,
101
vgl. Wikibooks: Tabellensammlung Chemie / spezifische Wärmekapazitäten
57
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
dass die Starttemperaturen nicht gleich sind. Im Schulversuch wäre es sinnvoll,
jene Materialien eine längere Zeit gemeinsam stehen zu lassen, damit sich eine
gleiche Anfangstemperatur ergibt. Es muss darauf hingewiesen werden, dass
die Temperaturdifferenz das Entscheidende ist. Eine Durchführung zeigte ohne
Anpassungsphase an die Lufttemperatur eine rasche Anpassung an die Lufttemperatur (es wurde in dem Fall kälter). Im Unterricht wäre diese Entwicklung irritierend für die Schüler gewesen, da sie mit der Sonneneinstrahlung
eine Erwärmung der Materialien erwartet hätten. Eine Rolle spielt ebenso die
Uhrzeit, die Außentemperatur und ebenso auch Einfluss von Wolkenbildung.
Darum ist ein längerer Beobachtungszeitraum sinnvoll.
Durchführung
Die Materialien werden bereits vor Messungsbeginn in den Schatten gestellt,
sodass eine Anpassung an die Umgebungstemperatur erfolgt. Dies geschieht
aufgrund der geringen Menge des jeweiligen Materials in der Regel recht zügig. Die Gläser mit den Stoffen werden auf einem weißen Tuch oder Pappe in
die Sonne gestellt. Die Anfangstemperatur wird aufgenommen. Im Rhythmus
von etwa 15 – 30 Minuten werden erneute Messungen vorgenommen. Es empfiehlt sich, dieses Experiment länger zu planen und den Schulvormittag mit
Versuchshelfern einzuteilen. Die Messungen werden notiert und in der Sachunterrichtsstunde besprochen.
Erkenntnis/Ergebnissicherung
Die Durchführung des Versuches hat in ähnlichem Aufbau (ohne Erde mit
Kresse, jedoch mit Steinen) während eines Praktikums stattgefunden. Die
Schüler hatten die Aufgabe, zu beobachten, was mit den unterschiedlichen Böden der Erde passiert. Da den Kindern eine Arbeit mit Tabellen bereits bekannt
war, hatten sie keine Schwierigkeiten diese zu lesen und sie mit Werten zu füllen. Die Schüler waren gespannt und motiviert. Einige Kinder stellten bereits
während des Experimentes interessante Vermutungen auf, wie „Das Wasser
wird sowieso schnell warm, weil unser Swimmingpool auch immer schnell
warm wird.“ oder „Der Sand wird auch sehr heiß. Darum kann ich am Strand
oft nur mit Sandalen laufen.“ Das Mädchen, das die Vermutung zum Wasser
aufstellte war auch bei diesem Versuchsausgang überrascht und konnte sich
58
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
dies zunächst nicht erklären. Unpassende Abweichungen in den Messreihen
werden den Schülern als Messfehler erklärt. Dieses Experiment war in eigenen
Wiederholungen sowohl bei einem kurzen als auch langem Beobachtungszeitraums geeignet, was abhängig von der Wettersituation ist. Trotz der möglicherweisen langen Durchführung hat es den Kindern viel Freude bereitet, die
Werte festzustellen und zu sammeln. Da sie einiges über die Eigenschaften des
natürlichen Bodens beobachtet haben und dies gut vom Modell in die Realität
übersetzen konnten, erachte ich dieses Experiment als sinnvoll und motivierend. Des Weiteren sind die Beobachtungen für den weiteren Unterrichtsverlauf hilfreich. Besteht jedoch nicht die Möglichkeit, diesen Versuch aufgrund
des Zeitrahmens durchzuführen, ist hierbei der Versuch „Schwarze Dose, weiße Dose“ als Grundlage zum Verständnis ausreichend.
Eine Sicherung für die Schüler lautet also:
8 Ein Teil des Lichtes wird an den Materialien absorbiert (aufgenommen), ein anderer Teil wird reflektiert. Dunkle Böden, wie die
Erde, absorbieren dabei einen großen Teil des Lichtes. Dadurch
erwärmt sich die Erde stärker.
8 Da Wasser in den nassen Materialien wie Sand oder Erde verdunstet, erwärmt sich diese nicht so stark, sondern verhindert, dass sich
der nasse Boden so stark erwärmt wie trockener. Die Wärmekapazität, also die Möglichkeit, Wärme zu speichern, ist ebenso entscheidend.
8 Steht die Sonne hoch am Himmel, wird nur wenig Licht reflektiert,
dafür umso mehr absorbiert. Die Sonne stand bei der Messung
niedrig, darum wurde viel Licht reflektiert: Das Wasser wurde
kaum erwärmt.
Stunde 5 und 6
4.3. Einheit 3: Luft und Wind
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 60 - 90 Minuten
In dieser Einheit lernen die Schüler die Eigenschaften der Luft kennen.
59
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Unterrichtseinheit
Teilschritte der Einheit

Luft ist nicht nichts, sondern ein Gas

Luft nimmt Platz ein
Luft hat ein Gewicht
Luftdruck
Luft kann unterschiedliche Temperaturen haben
Warme Luft dehnt sich aus
Wind
Luftdruckunterschiede – Entstehung von Wind
Wind ist messbar (Windmesser)
Tabelle 14: Einheit 3 - Teilschritte
Eigenschaft der Luft
Experimente
1.1 „Tetrapack“
1.
Luft nimmt Platz ein
1.2 „Luftballon in der
Flasche“
1.3 „Trichterversuch“
2.
Luft wiegt etwas
3.
Luft drückt Luftdruck
4.
Luft kann unterschiedliche Temperaturen haben
5.
2.1 „Ball wiegen“
2.2 „Ballwaage“
3 „Luft drückt“
4 „Luftballon auf der
Flasche“
Warme Luft dehnt
5 „Herdplatte und Fe-
sich aus
der“
6.
Luftdruckunterschiede 6 Luftdruckunterschiede
7.
Wind ist messbar
Arbeitsblätter
Luftballon in der
Flasche
Trichterversuch
Ball wiegen
Luft drückt
Thermometer
„Land- und Seewind“
„Windmesser“
Tabelle 15: Übersicht der Experimente "Luft"
Zur Unterrichtseinheit „Luft“ sind bereits Materialien auf der Internetplattform
SUPRA (http://www.supra-lernplattform.de unter Natur & Technik) zu finden.
Somit wird im weiteren Verlauf weniger auf die Sachinformationen des The60
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
mas Luft für den Grundschulunterricht eingegangen, vielmehr beziehen sich
weitere Ideen auf die Umsetzung im Sachunterricht.
Kinder stellen sich vor, dass Luft nichts ist.102 Wir sehen sie nicht und spüren
sie nicht in statischen Situationen. Allerdings ist das nicht richtig. Insbesondere
beim Wetter wird bewegte Luft an einem heißen Sommertag als erfrischend
wahrgenommen, kann aber in kräftiger Form heftigen Schaden anrichten und
sogar Häuser zerstören. An diesen falschen oder zum Teil falschen Vorstellungen wird nun angesetzt. Luft hat verschiedene Eigenschaften, die mit der folgenden Einheit veranschaulicht werden. Die Experimente können mit präzisen
Anweisungen als Stationsarbeit angeboten werden. Die Kinder notieren dabei
ihre Ergebnisse.
Damit die Schüler darüber nachdenken, dass Luft nicht nichts ist, wird zunächst ein Brainstorming begonnen. Die Lehrkraft kann dies als einen stillen
Impuls aufbereiten, sofern die Unterrichtsmethode bei den Kindern bekannt ist,
und schreibt „Luft“ in die Mitte der Tafel. Die Schüler haben die Möglichkeit,
in Ruhe darüber nachzudenken. Die Ergebnisse werden zunächst kommentarlos gesammelt.
Die Kinder sollen nun versuchen, zu erklären was Luft ist. Es ist u.a. möglich,
dass sie Luft als etwas verstehen, das nicht existiert, weil sie es nicht direkt
sehen und anfassen können. „Luft ist nicht wirklich da, man kann durchgucken.“103 Neben den Hinweisen zum Thema Luft werden hieran zusätzliche
Angebote dargestellt.
Dass Luft nicht nichts ist, sondern ein Gas, das eine Masse hat, kann anhand
eines einfachen Versuches darstellt werden.104
Luft 1


Material: Luft ist nicht nichts - Tetrapack
Tetrapack
Luftballon
102
vgl. Kahlert (2009): S. 59
Erfahrung aus einem Unterrichtsgespräch am Schuldorf Bergstraße in der dritten Klasse
104
vgl. Olk (2012): Stationsarbeit Luft. S. 59
103
61
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung 14: Luft ist nicht nichts - Tetrapack
Durchführung
Die Lehrkraft zeigt den Schülern einen „leeren“ Karton. Der Karton wird gedreht, sodass sie sehen können, dass wirklich kein Getränk mehr in der Packung ist und der Lehrer stellt nun die Frage: „Diesen Saft habe ich bereits
ausgetrunken. Was ist nun jetzt noch in dem Tetrapack?“105 Die Vermutungen
können dabei geäußert werden. Nach der Frage wird ein Luftballon über die
Öffnung des Tetrapack gestülpt. Der Karton wird zusammengedrückt. Dabei
stellt sich der Luftballon auf und Luft strömt in diesen hinein. In einem Gespräch wird besprochen, dass obwohl der Saft ausgetrunken ist, sich immer
noch Luft darin befindet und dabei auch Platz einnimmt, auch wenn sie im Regelfall nicht sichtbar ist. Dabei wird erklärt, dass die Luft ein Gas ist. Der Begriff Gas kann von den Schülern oft als etwas Negatives empfunden werden,
da beispielsweise „Gasgeruch“ in der Wohnung etwas Negatives darstellt.106
Erkenntnis
Luft nimmt Raum ein, auch wenn wir sie nicht sehen können. Die Luft ist
ein Gas.
Luft 1




105
106
Luft nimmt Raum ein - Luftballon in der Flasche
große PET-Flasche
Luftballon
Knetmasse
Bohrer oder Ähnliches
vgl. ebd. (2012): S. 59
Erfahrung aus einer Praktikumsstunde mit dem Thema „Luft – Gas“
62
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung 15: Luftballon in der Flasche107
Vorbereitung
In den Flaschenboden wird ein kleines Loch gebohrt. Der Luftballon wird über
den Flaschenhals gestülpt und in die Flasche gedrückt. Das kleine Loch wird
vorab mit Knetmasse verschlossen.
Durchführung
Es wird versucht, den Luftballon in der Flasche aufzupusten. Die Schüler werden feststellen, dass dies unmöglich ist. Nun wird die Knetmasse vom unteren
Loch entfernt.
Erkenntnis
Es ist unmöglich, den Luftballon mit dem verschlossenen Boden aufzupusten, da bereits Luft im Luftballon ist. Öffnen wir das Loch, so kann die
Luft entweichen und der Luftballon lässt sich somit aufblasen.
Luft 1





107
Material: Luft nimmt Raum ein - Trichterexperiment
große PET-Flasche (1,5 l)
Trichter
Knetmasse
Gießkanne mit Wasser
ein kleiner Bohrer oder Vergleichbares
Bild entnommen aus: Olk (2012): S. 62
63
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung 16: Trichterversuch
Vorbereitung
Im oberen Drittel der Flasche wird mit einem Bohrer ein kleines Loch gebohrt.
Dieses wird mit Knetmasse luftdicht verschlossen. Der Trichter wird auf den
Flaschenhals gesetzt. Der Bereich zwischen Flaschenöffnung und Trichter wird
ebenfalls luftdicht verschlossen. Ein vorheriger Test ist sinnvoll.
Durchführung
Die Kinder gießen das Wasser in den Trichter. Sie werden merken, dass das
Wasser dabei im Trichter bleibt. Wird die Knetmasse an der Seite der Flasche
entfernt, kann das Wasser in die Flasche fließen.
Erkenntnis
Das Wasser kann zunächst nicht in die Flasche, da der Raum in der Flasche bereits von der Luft eingenommen ist. Wie auch beim vorherigen
Versuch wird deutlich, dass das Wasser in die Flasche fließen kann, sofern
die Luft die Möglichkeit hat aus der Flasche zu entweichen.
Luft 2



Material: Ball wiegen
Lederball
Briefwaage / Haushaltswaage
Luftpumpe
Hinweis: Der Ball sollte möglichst auch nicht aufgepumpt rund sein, da es
sonst möglich ist, dass der Gewichtsunterschied auf die veränderte Form zurückgeführt wird.
64
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung 17: Ball wiegen
Durchführung
Der Ball wird nicht aufgepumpt auf die Waage gelegt. Das Ergebnis wird festgehalten. Nun wird der Ball mit einer Luftpumpe aufgeblasen und noch einmal
gewogen. Das Ergebnis wird ebenfalls notiert.
Zustand des Balls
Gewicht in g
nicht aufgepumpt
390
aufgepumpt
393
Tabelle 16: Gewicht Lederball
Erkenntnis
Vergleicht man beide Ergebnisse, stellt man einen Gewichtsunterschied
fest. Daraus entnehmen wir, dass die Luft ein Gewicht hat.
Dieser Versuch stellt eine Alternative zum Versuch „Ball wiegen“ dar. Aufgrund der sensiblen Waage, sollte das Experiment vorher erprobt werden, da
sonst nicht ersichtlich ist, was mit diesem Versuch verdeutlicht werden sollte.
Luft 2






Material: Ballwaage
Holzstab (ca. 80 cm)
2 gleiche Ballnetze
Schnur
2 gleiche, nicht aufgepumpte Bälle
Luftpumpe
Tesafilm
65
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Vorbereitung
Anstelle einer Briefwaage wird hier nun eine selbst erstellte Waage verwendet.
Die Ballnetze werden mit einer Schnur am Holzstab befestigt. Darin befinden
sich die Bälle. Die komplette Waage wird an eine Gardinenstange oder ähnliches Gerüst befestigt, damit sie sich frei bewegen kann. Beide Bälle werden
unaufgepumpt in die Netze gelegt. Dabei sollte sich die Waage so einpendeln,
dass beide Bälle auf gleicher Höhe sind.
Durchführung
Ein Ball wird aus den Netzen herausgenommen und aufgepumpt und wieder in
das Netz zurückgelegt. Man beobachtet die Waage. Die Waage zeigt, dass das
Gewicht des aufgepumpten Balls mehr geworden ist, da die Waage nun im
Ungleichgewicht steht.
Erkenntnis
Der aufgepumpte Ball hat im Gegensatz zu dem nicht aufgepumpten Ball
an Gewicht zugenommen. Das heißt, dass Luft ein Gewicht hat.
Von dieser Erkenntnis wissen wir nun, dass Luft ein Gewicht hat. Die Vorstellung dabei ist schwierig, dass die Luft von allen Seiten auf alle Körper drückt.
Eine vereinfachte Erklärung wäre, dass die Luft etwas wiegt und daher drückt.
Dass diese von allen Richtungen auf einen Körper einwirkt, wird hier außen
vor gelassen.
Luft 3


Material: Luft drückt
Zeitungspapier
Holzlatte bzw. großes Lineal
Abbildung 18: Luft drückt
66
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Ein großes Lineal oder eine Holzlatte wird auf die Kante eines Tisches gelegt,
sodass die Hälfte davon übersteht. Man schlägt nun auf das Lineal bzw. auf die
Holzlatte. Das Lineal wird herunterfallen. Eine aufgefaltete Zeitungsseite wird
auf das Lineal gelegt und schlägt wieder auf das Lineal. Man wird merken,
dass diese nicht einfach wegfliegt, sondern liegen bleibt.
Erkenntnis
Die Luft drückt auf die ganze Fläche der Zeitung. Darum lässt sich das
Lineal auch nicht herunterdrücken und fällt auch nicht wie zuvor vom
Tisch.
Da der Luftdruck abhängig von Temperatur und Luftfeuchtigkeit ist, wird den
Schülern verdeutlicht, dass die Luft verschiedene Temperaturen haben kann.
Luft 4
Material: Luft hat unterschiedliche Temperaturen –
Luftballon auf der Flasche





PET-Flasche
1 Luftballon
Schüssel mit sehr warmen Wasser
Schüssel mit sehr kaltem Wasser (Eiswürfel)
alternativ im Winter: Flasche nach draußen bringen, nach einiger Zeit
ins Klassenzimmer holen
Flasche in kaltem Wasser
Flasche in warmen Wasser
Abbildung 19: Luftballon auf der Flasche
67
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Durchführung
Über den Flaschenhals wird ein Luftballon gestülpt. Nun hält man die Flasche
zunächst in eine Schüssel mit kaltem Wasser. Der Luftballon wird dabei beobachtet. Die Luft kühlt sich in der Flasche ab und der Luftballon sinkt schnell
in sich zusammen. Nun stellt man die Flasche in eine Schüssel mit dem warmen Wasser. Dadurch wird die Luft in der Flasche erwärmt und dehnt sich aus.
Sie entweicht dabei in den Luftballon, der sich aufbläst.
Die Schüler erwarten beim kalten Wasser, dass der Ballon sich aufbläst, weil
die Luft wegen der Kälte nach oben steigt. Jedoch ist den Schülern dabei nicht
klar, dass sich das Luftvolumen aufgrund der Temperaturänderung verkleinert.108
Damit der Versuch auch nach einiger Zeit immer noch funktioniert, sollten
immer wieder Eiswürfel in das kalte Wasser gefüllt werden. Mithilfe eines
Wasserkochers kann die Temperatur des warmen Wassers gehalten werden.
Das Wasser sollte jedoch nur so warm sein, dass eine Verbrennungsgefahr ausgeschlossen ist.
Erkenntnis
Wenn die Luft erwärmt wird, dehnt sie sich aus.
Wenn die Luft kälter wird, zieht sie sich wieder zusammen.
Stunde 7
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 45 Minuten
Material für die gesamte Einheit
108

Experiment „Warme Luft dehnt sich aus“

Arbeitsblatt „Land- und Seewind“

Experiment „Windmesser“
vgl. Schieder & Wiesner (2006)
68
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Die Schüler lernen, dass Luft ebenso unterschiedliche Temperaturen annehmen
kann. Das deutlichste Beispiel ist die Temperatur der uns umgebenen Luft.
Kinder beurteilen die Temperatur subjektiv, sie nennen es kalt oder warm.
Damit diese Angabe korrekt gemacht werden kann, benötigt man ein Thermometer. Sofern in der zweiten Klasse der Aufbau und Funktion eines Flüssigkeitsthermometers nicht behandelt wurde, ist dies an dieser Stelle passend in
die Einheit zu integrieren. Am Ende der Einheit „Luft“ kündigt die Lehrkraft
an, dass die Kinder verschiedene Thermometer mitbringen sollen. Diese werden in der darauffolgenden Unterrichtsstunde genauer betrachtet.
Luft 5




Material: Warme Luft dehnt sich aus
Herdplatte
Feder
Räucherstäbchen
Streichholz
Abbildung 20: Herdplatte und Feder
Durchführung
Eine mobile Herdplatte wird gezeigt. Die Platte ist kalt. Man schaltet den Herd
an und hält die Feder darüber. Sobald die Platte warm genug ist, wird sich die
darüber liegende Luft erwärmen und die Feder steigt nach oben. Um zu sehen,
was die warme Luft macht, machen wir diese mit einem Räucherstäbchen
sichtbar, indem man es anzündet und darüber hält. Das Räucherstäbchen sollte
zuvor angezündet worden sein, dass der Vergleich zum Rauch über der Herd69
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
platte erkennbar wird. Die Schüler bezeichnen sich als Wärme, die hoch steigt
oder gar als etwas, das dazu kommt. Jedoch handelt es sich hierbei um eine
Ausdehnung der Luft. Luft und Wärme werden teilweise als etwas Unterschiedliches aufgefasst.109
Bei der Durchführung wurde festgestellt, dass selbst die kleine Feder zu schwer
war. Die Fahnen der Feder begannen sich leicht zu bewegen. Die Feder landete
nach dem Loslassen auf der Herdplatte. Löst man die einzelnen Fasern aber
von der Feder ab, fliegen diese hoch. Auch bei den Samen der „Pusteblumen“
ist das Aufsteigen deutlich erkennbar.
Hinweis: Ebenso ein kleines 1 cm großes Quadrat aus einer Schicht eines Küchenpapiers erwies sich als zu schwer. Ein Schwingen der Ecken war sichtbar.
Erkenntnis
Wenn die Luft erwärmt wird, dehnt sie sich aus. Da die Fahnen der Feder
sehr leicht sind, werden sie mit nach oben befördert. Der Rauch des Räucherstäbchens macht das Aufsteigen der Luft sichtbar.
Die Temperatur und der Luftdruck bestimmen Luftdruckunterschiede oder anders ausgedrückt: Luftdruckunterschiede entstehen durch Temperaturänderungen der Luft. Luftdruckunterschiede bewirken, dass sich die Luftmassen bewegen. Diese bewegte Luft heißt Wind. Die meisten Kinder wissen, dass Wind
bewegte Luft ist.
Die unterschiedlich erwärmte Luft hat auch einen unterschiedlichen Druck.
Dadurch kommt die Windbewegung zustande. Beim Seewind erwärmt sich das
Land schneller als das Wasser. Die am Tag erwärmte Luft steigt über dem
Land auf. Kältere Luftmassen strömen vom Meer nach. Wind entsteht. Nachts
kühlt das Land wieder schneller ab. Die Luft ist damit über dem Meer wärmer
und steigt auf. Nun strömt vom Land kühlere Luft nach.110 Sichtbar ist dies auf
der folgenden Abbildung (s. auch Kapitel 2.3.2.).
109
110
vgl. Schieder & Wiesner (1997): S. 142
vgl. Crummenerl (2010): S. 13
70
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
6
Material: Wind und Luftdruckunterschiede





Terrarium oder großes Glas
angefeuchtete Erde
Eiswürfel und Salz
Backblech
Wärmelampe
111
Durchführung
Die Erde wird in ein Terrarium (Erdatmosphäre) gefüllt, so dass sie den Boden
bedeckt. Oben soll ein Backblech darauf gelegt werden, das mit dem Terrarium
abschließt. Die Wärmelampe (Sonne) strahlt von der Seite in das Glas hinein.
Oben auf das Backblech werden einige Eiswürfel gelegt. Nach einiger Zeit ist
Nebel und eine Zirkulation sichtbar. Dieses Experiment zeigt unsere Erdatmosphäre im Modell.
Abbildung 21: Luftdruckunterschiede
111
s. Crummenerl (2010): S. 13
71
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Erkenntnis
Durch die Wärmelampe entsteht ein Hochdruckgebiet. Die warme Luft
dehnt sich aus und steigt in die Höhe. Das Eis auf dem Backblech lässt ein
Tiefdruckgebiet entstehen. Die kalte Luft sinkt ab. Dadurch entsteht eine
Zirkulation, die im zweiten Bild sichtbar wird (siehe Pfeil).
Oft findet man in Schulbüchern folgende Idee zum Bau eines Barometers:
Abbildung 22: Barometer basteln aus Wetterwerkstatt, S. 54112
112
s. Olk (2012): S. 42
72
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass dieses Experiment nicht den
Luftdruck erfasst, sondern, wie bei dem Versuch „Luftballon auf der Flasche“
erkennbar, die Temperaturunterschiede.
Gemeinsam wird mit den Schülern überlegt, dass man Wind auch messen
kann. Kinder werden sagen, dass man die Stärke messen kann, weil der Wind
unterschiedlich stark wehen kann. Er kann von einer leichten Brise hinzu einem kräftigen Sturm auftreten. Dabei wird erklärt, dass die Windstärke eine
Geschwindigkeit ist, die in km/h gemessen wird. Einige Kinder kennen auch,
dass die Windrichtung angegeben wird. Hieran wird ein Windmesser selbst
hergestellt.
Luft 6









Material: Windmesser
Joghurtbecher (200g)
Schaschlikstäbe
Knetmasse
Papier für die Fahnen
Schere
Tesafilm
Strohhalm
Tacho
Kompass
Abbildung 23: Windmesser
73
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Vorbereitung
In den Joghurtbecher werden an den Seiten in Höhe der Mitte zwei sich gegenüberliegende Löcher gebohrt bzw. geschnitten. Die Löcher sind so groß, dass
sich der Schaschlikstab frei bewegen kann. Ein weiteres Loch wird in den Boden des Bechers gestochen. Dies soll auch so groß sein, dass sich der Spieß gut
bewegen kann. Ist ein sauberes Loch nicht möglich, werden dünne Strohhalmstücken in die Löcher gesteckt. Als ein Gewicht klebt man die Knetmasse in
den Becher, am besten an zwei gegenüberliegenden Stellen. Ein weiterer Spieß
wird durch den Becherboden gesteckt. Am Ende dieses Stabes wird eine Fahne
aus Papier gebastelt. Diese zeigt die Windrichtung an. Der querliegende Stab
zeigt die Windgeschwindigkeit an. Daran kommen auch zwei Fähnchen. Dazu
muss eine Skala auf den Becher gemalt werden: Man markiert die Stellen, die
beim Gehen und Laufen erreicht worden sind. Als Alternative kann der Windmesser geeicht werden: Einige Kinder haben einen Tacho am Fahrrad. Dieser
kann verwendet werden, um jene Stellen zu markieren. Mit einem Kompass
kann die genaue Windrichtung festgestellt werden.
Durchführung
Der Windmesser wird in den Wind gestellt. Die obere Fahne zeigt die Windrichtung und querliegende die Windgeschwindigkeit an. Die Kinder lesen davon ab.
Erkenntnis
Wind ist messbar. Man misst die Geschwindigkeit (km/h) und seine Windrichtung.
Stunde 8
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 45 Minuten
Material für die gesamte Einheit

Diverse Thermometer

Arbeitsblatt „Das Thermometer“
74
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts

Arbeitsblatt „Aggregatzustände, Verdunstung, Kondensation“

Experiment „Nebelbildung“

Experiment „Nebelentstehung“
In der 8. Unterrichtsstunde wird das Thermometer aufgegriffen. Es ist eine
wichtige Grundlage, Kenntnisse über Aufbau und Verwendung dieser Instrumente zu erlangen.
Das Thermometer
Die verschiedenen mitgebrachten Thermometer der Kinder werden auf einem
Tisch oder eine Decke in die Mitte eines Sitzkreises platziert. Als einen stillen
Impuls wartet der Lehrer auf verschiedene Äußerungen. Vermutlich werden
einige Kinder erklären, wofür sie das Thermometer nutzen, beispielsweise um
zu prüfen, wie warm das Wasser für ein Bad ist oder ob sie Fieber haben.
Teilweise werden digitale Thermometer mitgebracht werden, die lediglich das
Ablesen der gemessenen Temperatur als Zahl erfordert. Die Temperatur soll
auch auf Flüssigkeitsthermometern abgelesen werden können. Die Schüler
lernen den Aufbau und das Ablesen kennen. Hierzu werden Aufbau des Thermometers und Funktionsweise der Skala in einem Klassengespräch besprochen, an der Tafel demonstriert und auf dem Arbeitsblatt „Thermometer“ wiederholt. Als Überleitung wird besprochen, was alles mit einem Thermometer
gemessen wird. Dazu gehört die Wassertemperatur.
4.4. Einheit 4: Wasser und Niederschlag
Unterrichtseinheit
Teilschritte der Einheit

Aggregatzustände

Niederschlag
Wasser und Nieder-

Verdunstung
schlag

Kondensation

Entstehung von Wolken

Wolkenklassifikation
Wasserkreislauf
Tabelle 17: Einheit 4 - Teilschritte
75
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Das Wasser kann sich zudem in verschiedenen Zuständen befinden. Wir kennen es in Form von Wasserdampf, flüssigem Wasser und Eis. Diese Zustände
(fest, flüssig und gasförmig) nennt man Aggregatzustände. In der Natur kommt
das Wasser in allen Aggregatzuständen vor. Kinder können gut aufnehmen,
was es heißt, wenn das Wasser fest (Eis) oder flüssig ist. Jedoch fällt es ihnen
schwer, zu verstehen, dass das Wasser fein verteilt in der Luft ist. Da die Wassertröpfchen ohne weiteres Zutun nicht sichtbar ist, denken sie, dass das Wasser verschwunden sei. Luft nimmt ununterbrochen und bei jeder Temperatur
Wasserdampf auf. Jedoch ändert sich dabei immer die maximale Menge. Ist
diese Menge erreicht, ist die Luft gesättigt. Warme Luft nimmt mehr Wasserdampf auf als kalte. Folgend werden Luft und Wasser als kalt und warm bezeichnet. Dies dient der vereinfachten Erklärung. Tatsächlich handelt es sich
um den Temperaturunterschied beider Stoffe. Kühlt sich die mit Wasserdampf
gesättigte Luft ab, gibt sie einen Teil des Wassers wieder ab. Es bilden sich
wieder Wassertröpfchen. Bei der Temperatur, bei der der Wasserdampf kondensiert, wird Taupunkt genannt.113 Durch eine vereinfachte Verbildlichung
der Aggregatzustände an der Tafel, wird erklärt, dass die Wasserteilchen eng
beieinander liegen. Im flüssigen Wasser liegen die Teilchen nicht mehr ganz so
dicht beieinander. Im gasförmigen Zustand gibt es kaum noch einen Zusammenhalt.114
Um die Veränderung des Zustands zu thematisieren, wird der Tafelschwammversuch ausgeführt. Dazu wischt man mit einem nassen Schwamm über die
Tafel. Schon bald wird man sehen, dass das Wasser scheinbar „verschwunden“
ist. Die Lehrkraft sagt zunächst nichts und lässt die Kinder Vermutungen anstellen, wohin das Wasser ist. Sie sollen Zeit haben, sich dazu eine Erklärung
zu überlegen. Die Schüler werden vermuten, dass das Wasser einfach weg ist
oder auch in die Tafel eingezogen ist. Das Wort „einziehen“ hat in vielen Zusammenhängen jedoch eine gänzlich falsche Bedeutung. Einige Kinder wissen
bereits, dass dieser Vorgang „verdunsten“ heißt. Das Wasser geht von einem
flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Das Wasser ist dabei fein verteilt in
der Luft, aber immer noch da. Relevant ist die Verdunstung für die Entstehung
der Wolken und damit auch dem Wasserkreislauf.
113
114
vgl. Crummenerl (2010): S. 19
vgl. Crummenerl (1996): S. 13
76
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Stellt man ein klares Glas über
eine Pflanze oder eine Rasenfläche, wird man schon nach
einiger Zeit feststellen, dass
sich am Glas Wassertröpfchen
gebildet haben. Dabei sind die
Tröpfchen zunächst verdunstet,
sind also vom feuchten Boden
Abbildung 24: Kondensation im Glas
in den gasförmigen Zustand
übergegangen. An dem Glas
wird der verdunstete Wasserdampf wieder sichtbar, es ist kondensiert. Das
gleiche Ergebnis hat man beim Anhauchen einer Glasscheibe: Man sagt, die
Scheibe beschlägt, da die feinen Wassertröpfchen aus dem Atem an der Scheibe kondensieren. Kondensation bedeutet, dass das Wasser vom gasförmigen
Zustand wieder in den flüssigen Zustand gekehrt ist.
Die Schüler kennen bereits einige Niederschläge durch die einfache Beobachtung des Wetters. Niederschlag, der nicht immer gleich als Niederschlag vermutet wird (Tau, Nebel etc.), kann besprochen werden.
Material: Nebel in der Flasche



große PET-Flasche (1,5 l)
Wasser
Streichhölzer
Abbildung 25: Nebelbildung
77
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Durchführung
Ein angezündetes Streichholz wird in die Flasche gehalten, in der der Boden 2
cm hoch mit Wasser befüllt wird. Der Rauch geht in die Flasche. Der Vorgang
wird ggf. mehrmals wiederholt. Nun wird die Flasche vorschlossen und geschüttelt, damit die Innenwände nass sind. Die Flasche wird dann zusammengedrückt. Der Versuch kann zunächst ohne Streichhölzer ausprobiert werden.
Festzustellen ist, dass der der Nebel ohne Kondensationskeime nicht sichtbar
ist.
Erkenntnis
In der Flasche herrscht eine hohe Luftfeuchtigkeit. Die Veränderung des
Luftdrucks bewirkt (Luftdruck wird zunächst erhöht und dann rasch
vermindert), dass die Kondensation des Wasserdampfes erzwungen wird.
Durch die Keime des Rauches der Streichhölzer (Kondensationskeime) ist
dieser Nebel sichtbar.
Stunde 9
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 45 - 90 Minuten
Material für die gesamte Einheit

Arbeitsblatt „Wolkenentstehung“

Arbeitsblatt „Wolkenarten“

Arbeitsblatt „Niederschlagsmesser“

Arbeitsblatt „Ausführliche Wetterbeobachtung“
Viele Kinder denken, dass Wolken nur aus Wasserdampf bestehen. Diese Erklärung stößt insofern an die Grenzen, dass Wasserdampf so nicht sichtbar ist,
wir die Wolken aber sehen können. Die Wolken bestehen aus vielen feinen
Wassertröpfchen und/oder auch Eiskristallen. Wolken entstehen, weil warme
wasserdampfreiche Luft aufsteigt. Dabei kühlt sie sich ab. Der Wasserdampf,
der in der Luft enthalten ist, kondensiert zu Wassertröpfchen, die sich zu einer
Wolke verdichten. Im Laufe des Tages steigt immer wieder neue warme Luft
78
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
empor, sodass die Wolken ständig anwachsen.115 Wenn es kälter ist, rücken die
Wasserteilchen näher zusammen. Sie verschmelzen dann zu immer größer
werdende Tröpfchen und werden schwerer. Sie fallen als Regen zur Erde hinab.116
Abbildung 26: Wolkenentstehung117
Wolken werden in verschiedene Wolkengattungen unterteilt. Für die Kinder
werden jedoch nicht die lateinischen Fachbegriffe verwendet, sondern vereinfachte Namen, die gleichzeitig das Aussehen implizieren. Es werden Schäfchenwolken (mehrere kleine Häufchen, die watteähnlich aussehen), Gewitterwolken, Haufenwolken und Federwolken.
Haufenschichtwolken
Federwolken (Cirruswolken)
115
vgl. Crummenerl (2010): S. 24
vgl. ebd.: S. 24
117
s. ebd.: S. 18
116
79
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Schäfchenwolken
Gewitterwolken
Abbildung 27: Wolkengattungen
Kinder erkennen, dass die Wolken weder die gleiche Form noch Farbe besitzen
müssen. Einige werden die verschiedenen Formen nicht explizit kennen. Teilweise wurden die Unterschiede auch noch nicht beobachtet. Aus den Wolken
wurde schon vor langer Zeit das bevorstehende Wetter beobachtet. Malen Kinder eine Wolke, werden meist Haufenschichtwolken gemalt. Haufenschichtwolken werden auch „Schönwetterwolken“ oder „Cumulus“ genannt. Sie gehören zu den tiefen Wolken und sind reine Wasserwolken. Schäfchenwolken gehören zu den mittleren Wolken. Sie bestehen aus Wassertröpfchen und Eiskristallen. Federwolken (auch Cirruswolken oder Eiswolken genannt) kommen in
großer Höhe vor und bestehen aus Eiskristallen.118
Wolken kündigen auch das Wetter an. Gewitterwolken sind dunkelgrau und
kündigen Regen und/Gewitter an. Dabei regnet es beispielsweise zu verschiedener Zeit auch bestimmte Mengen. Diese Mengen können auch selbst gemessen werden. Dazu benötigt man einen selbstgebauten Niederschlagsmesser.
Material: Niederschlagsmesser





118
1,5 l PET-Flasche
Tesafilm
Schere
wasserfester Stift
Lineal
vgl. Undorf (2011): S. 54
80
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Abbildung 28: Niederschlagmesser
Durchführung/Bauanleitung
Das obere Drittel der Flasche wird abgeschnitten. Da das jedoch etwas schwer
fällt, kann die Lehrkraft helfen und ggf. bereits kleine Löcher in die Flasche
bohren, damit dort das obere Drittel abgeschnitten werden kann. Das obere
Stück wird genommen und verkehrt herum in die Flasche gesteckt und mit Tesafilm am unteren Teil fixiert. Das Anzeichnen der Skala entpuppt sich meist
als schwierig. Dazu sollte vorher gezeigt werden, wie das Lineal angesetzt
werden muss, um eine Skala anzuzeichnen. Die Schüler setzen teilweise nicht
bei der Null an oder gar bei einer beliebigen Zahl. Sinnvoll zu markieren wären
halbe Zentimeter und ganze Zentimeter. Den Niederschlagsmesser sollte man
bei den Messungen nach Möglichkeit in einen Tontopf o.ä. stellen, damit dieser
bei Wind nicht umkippen kann und die Messung damit verfälscht. Der Niederschlagsmesser wird für die ausführliche Wetterbeobachtung benötigt. Dieser
wird nachfolgend erklärt. In der vereinfachten Wetterbeobachtung wurden keine Messgeräte benötigt. Die Beobachtungen waren auf die Bewölkung, dem
Niederschlag und dem Wind beschränkt. Da nun weitere Wetterfaktoren, wie
das Messen und Bestimmen der Temperaturen und Wolkenarten hinzugekommen sind, werden diese auch in einer ausführlichen Wetterbeobachtung dargestellt. Nach Ablauf von fünf Tagen werden die Wetterbeobachtungen noch
einmal besprochen. Noch einmal sei darauf hingewiesen, dass die Messungen
und Beobachtungen immer zur gleichen Zeit geschehen sollten.
81
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Stunde 10
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 45 Minuten
Material für die gesamte Einheit

Bild: Wasserkreislauf mit Tröpfchen

Arbeitsblatt Wasserkreislauf
Abschließend zur Einheit „Wasser und Niederschlag“ folgt der Wasserkreislauf. Dieser setzt das Wissen zum Verhalten von Luft und Wasser, Kondensation, Verdunstung und Wolkenentstehung voraus. Darum ist dieser an das Ende
der Einheit gestellt. Durch vergangene Versuche ist es möglich, dass der Wasserkreislauf und verschiedene einzelne Phänomene wiederentdeckt werden. Ein
zusammenhängendes Ergebnis mit Einbezug des Vorwissens wird erreicht. Der
Zusammenhang der einzelnen Elemente soll deutlich werden.
Das Wasser und dessen Menge, die sich auf der Erde befindet, bleibt immer die
Gleiche. Es geht nichts verloren und es kommt auch nichts dazu. Jeden Tag
kommt es auf der Erde dazu, dass vom Boden oder vom Meer Wasser verdunstet. Das geschieht, da die Sonne auf die Erde scheint. Der Wasserdampf steigt
auf und kühlt nach und nach ab. Der Wasserdampf kondensiert, da die kältere
Luft nicht mehr so viel Wasserdampf halten kann wie die wärmere Luft. Die
entstandenen Wassertröpfchen verdichten sich zu einer Wolke. Die Wolke
steigt ständig an, da im Laufe des Tages immer wieder neue warme Luft nach
oben steigt. Verschmelzen viele Regentropfen immer mehr zu größeren Tropfen, werden diese schwerer, sinken ab und fallen als Niederschlag auf die Erde.
Somit ist das Wasser wieder auf der Erde und der Kreislauf beginnt von vorn.
Während eines Unterrichtsversuches wurde dies anhand von „Tröpfchen“ erzählt, der seine Reise im Wasserkreislauf macht. Dies bezweckt, dass die doch
komplexe und umfangreiche Erklärung den Schülern locker vermittelt wird.
Die Kinder nehmen die Geschichte gern auf und konnten danach auch gut wiedergeben, was dieser anfängliche Wasserdampftropfen auf seiner Reise erzählt
hat.
82
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Stunde 11
4.5. Einheit 5: Treibhauseffekt und Ozon
Geplante Unterrichtszeit für diese Einheit: ca. 45 Minuten
Unterrichtseinheit
Teilschritte der Einheit
Einführung: Aktivierung des Vorwissens (Kreisge-
Treibhauseffekt und
Ozon
spräch)
Was ist der Treibhauseffekt?
Was ist Ozon?
Tabelle 18: Einheit 5 - Teilschritte
Material für die gesamte Einheit

Treibhauseffekt (Tafelskizze)

Arbeitsblatt „Treibhauseffekt und Ozon“
In den Nachrichten oder in Gesprächen hören die Kinder oft „Treibhauseffekt“,
„Klimaerwärmung“, „Ozonloch“ oder „Ozon“ und wissen mit diesen Begriffen
kaum etwas anzufangen. Sie hören, dass das Ozon sehr schädlich ist und damit
auch sehr gefährlich. Doch sie verstehen nicht, was dahinter steht und woher
die Gefahr kommt und wie man die Gefahr verhindern kann. Dazu wird es
meines Erachtens als wichtig empfunden, dieses Thema doch einmal im Unterricht zu besprechen.
Die Schüler wissen nun, dass die Erde von einer Atmosphäre umgeben ist. Diese ist grundlegend für den Wärmehaushalt der Erde und damit dem Leben auf
der Erde. Das Sonnenlicht kann durch die Atmosphäre auf unserer Erde eintreffen. So wird auch das schädliche Ultraviolett (UV) zum großen Teil ferngehalten. Dennoch sind lange Sonnenbäder schädlich. Die schädlichen Auswirkungen sind als Sonnenbrand erkennbar. Jedoch ändern sich die Strahlen von kurzzu langwelligen Strahlen beim Auftreffen auf den Erdboden. Die Begriffe können hierbei außen vor gelassen. Man spricht von eintreffender und ausgehender
Strahlung. Das reflektierte energiereiche Licht kann aber nicht mehr ins All
hinaus, da verschiedene Gase die Energie absorbieren, also aufnehmen.
83
4 Unterrichtsvorschläge zur Erarbeitung des Thema Wetter im Rahmen des
Grundschulsachunterrichts
Dadurch wird es wärmer auf der Erde. Das ist der Grund, warum man so oft
„Klimaerwärmung“ hört. Das Ozon ist jedoch nicht gänzlich von den Menschen gemacht. Zu kleineren Teilen war das Ozon bereits schon vorher in der
Atmosphäre, jedoch so, dass das ausgehende Licht wieder ins All zurück kann.
Menschen haben darauf aber einen großen Einfluss: Durch umweltschädliche
Fabriken (CO2), dem Anteil von motorisierten Fahrzeugen, intensive Tierhaltung (CH4) gelangen schädliche Gase in die Atmosphäre. Die natürliche Ozonschicht, die die gefährliche UV-Strahlung abhalten kann, wird kleiner. Über
der Antarktis ist dabei bereits ein Ozonloch entstanden. Die Sonnenstrahlung
kann mit vermehrter UV-Strahlung die Stratosphäre passieren, sodass sich die
Erde mehr erwärmt. Das Ozon, das die Menschen auf der Erde verwenden, ist
gesundheitsschädlich. In Nachrichten kann man dazu teilweise Bilder sehen,
die Smog darstellen. Dieser Smog kann sogar zu Atemerkrankungen führen.
Um eine Abwendung der vermehrten umweltschädlichen Gase zu finden, müssen die Menschen weniger Emissionen ausstoßen. Mehrere Länder haben sich
bisher bereits erklärt, ihren schädlichen Ausstoß zu vermindern. Bisher ist dies
noch nicht ausreichend.
4.6.Fächerübergreifendes
Das Wetter kann jedoch auch in anderen Fächern mit anderen Schwerpunkten
aufgegriffen. Zu finden sind viele Gedichte und Lieder. Einige Ideen werden
hier exemplarisch aufgeführt. Als ein Angebot für Schüler, die bereits mit einer
Aufgabe fertig sind, können Wetterrätsel und –spiele ausgelegt werden, die
bisher immer Freude bereitet haben.
Alice Undorf hat ein Heft mit Unterrichtsmaterial veröffentlich, in dem das
folgende Gedicht zu finden ist:
Viele bunte Regenschirme
Wenn die ersten Tropfen fallen,
lustig auf das Pflaster knallen,
blühen sie wie Blumen auf.
Bunt gestreifte, bunt gefleckte
bunt getupfte und gescheckte,
84
5 Ausblick
nehmen fröhlich ihren Lauf.
Seit die ersten Tropfen fielen,
schweben sie auf dünnen Stielen,
leuchtend, schimmernd, rund und glatt.
Bunt gestreifte, bunt gefleckte,
bunt getupfte, bunt gescheckte
Schirme blühen in der Stadt.
Vera Ferra-Mikura
Ein sehr bekanntes Gedicht von Eduard Mörike kann hier auch angesprochen
werden:
Frühling lässt sein blaues Band
Wieder flattern durch die Lüfte;
Süße, wohlbekannte Düfte
Streifen ahnungsvoll das Land.
Veilchen träumen schon,
Wollen balde kommen.
Horch, von fern ein leiser Harfenton!
Frühling, ja Du bist 's!
Dich hab’ ich vernommen!
Des Weiteren sind ebenso die Thematisierung von Musikstücken (Beethovens
Pastorale-Sinfonie, Part: Gewitter / Sturm , Claude Debussy: La Mer,
Frédéric Chopins „Regentropfenprélude“) möglich. Vivaldis „Vier Jahreszeiten“ passt sehr gut in die Unterrichtseinheit. Bei der Vorstellung der Musikstücke werden keine einzelnen Titel gesagt. Im Verlauf des Stückes können die
Kinder anhand von Melodik, Dynamik und Tempo feststellen können, welche
Jahreszeit im jeweiligen Stück thematisiert wird.
Im Rahmen des Deutschunterrichts kann ein Schreibanlass gegeben werden,
indem die Kinder eigene Wettergeschichten schreiben und vortragen dürfen.
Die Wettergeschichten können in den Ferien oder am Wochenende verfasst
werden. Oft bereitet es den Schülern eine große Freude, trägt man diese Geschichten in ein geschlossenes Buch, das im Klassenzimmer für alle zugänglich
ist.
85
5 Ausblick
5. Ausblick
Mit dieser Arbeit soll erreicht werden, dass Kinder physikalische Informationen aufnehmen und verstehen sollen. Dabei ist das Wetter eine so wichtige
Thematik, da sie uns in unseren täglichen Entscheidungen beeinflusst. Mit der
Aufbereitung der komplexen Themen für den Grundschulunterricht möchte ich
auch bezwecken, dass viele Schüler den Spaß an der Physik und den Entdeckungen nicht verlieren. Für die Lehrkraft vorangestellte Fachinformationen
werden in den Unterrichtsvorschlägen vereinfacht. Arbeitsblätter, anschauliches Material und Spaß sollen die Möglichkeit geben, den Schülern und den
Lehrern eine umfassende und erkenntnisreiche Information zu unterbreiten. Da
das Wetter ein ständiger Begleiter ist, sollten die Kinder, aber auch Erwachsene, erklären können, was in ihrer direkten Umgebung geschieht.
Mit dieser Arbeit wurde das Thema Wetter physikalisch aufbereitet. Es ruft
eine Unzufriedenheit hervor, die direkte lebensweltliche Umgebung nicht erklären zu können. An dieser Stelle setzt diese Arbeit mitsamt seinen Materialien und Informationen an. Wünschenswert ist, dass in Zukunft der naturwissenschaftliche Sachunterricht einen höheren Stellenwert erlangt als er jetzt innehat.
86
6 Anhang
6. Anhang
Aufgrund des umfangreichen Anhangs in Form von Arbeitsblättern wird an
dieser Stelle ein Verzeichnis zur besseren Übersichtlichkeit eingefügt.
Das folgende Material umfasst alle Arbeitsblätter. Diese sind für einen Überblick in den Anhang gestellt. Für eine Verwendung der Arbeitsblätter werden
selbige auf http://www.supra-lernplattform.de/ unter Natur & Technik zu finden sein.
Arbeitsblatt 1: Mein Wetterbuch ...................................................................... 89
Arbeitsblatt 2: Wetterbeobachtung – einfach ................................................... 90
Arbeitsblatt 3: Wetterbeobachtung – ausführlich ............................................. 90
Arbeitsblatt 4: Wettererscheinungen ................................................................ 91
Arbeitsblatt 5: Frühling und Sommer – Quelle unbekannt ............................... 92
Arbeitsblatt 6: Herbst und Winter – Quelle unbekannt .................................... 92
Arbeitsblatt 7: Jahreszeiten 2 ............................................................................ 93
Arbeitsblatt 8: Jahreszeiten 1 ............................................................................ 93
Arbeitsblatt 9: Jahreszeiten 3 ............................................................................ 93
Arbeitsblatt 10: Schwarze Dose, weiße Dose ................................................... 94
Arbeitsblatt 11: Experimente zum Thema Luft ................................................ 95
Arbeitsblatt 12: Luft drückt .............................................................................. 96
Arbeitsblatt 13: Luftballon auf der Flasche ...................................................... 97
Arbeitsblatt 14: See- und Landwind ................................................................. 98
Arbeitsblatt 15: Windmesser ............................................................................ 99
Arbeitsblatt 16: Thermometer ........................................................................ 100
Arbeitsblatt 17: Aggregatzustände ................................................................. 101
87
6 Anhang
Arbeitsblatt 18: Wasserkreislauf..................................................................... 102
Arbeitsblatt 19: Niederschlagsmesser............................................................. 103
Arbeitsblatt 20: Wolkenklassifikation ............................................................ 104
Arbeitsblatt 21: Treibhauseffekt und Ozon .................................................... 105
88
6 Anhang
Arbeitsblatt 1: Mein Wetterbuch
89
6 Anhang
Arbeitsblatt 2: Wetterbeobachtung – einfach
Arbeitsblatt 3: Wetterbeobachtung – ausführlich
90
6 Anhang
Arbeitsblatt 4: Wettererscheinungen
91
6 Anhang
Arbeitsblatt 5: Frühling und Sommer – Quelle unbekannt
Arbeitsblatt 6: Herbst und Winter – Quelle unbekannt
92
6 Anhang
Arbeitsblatt 8: Jahreszeiten 1
Arbeitsblatt 7: Jahreszeiten 2
Arbeitsblatt 9: Jahreszeiten 3
93
6 Anhang
Arbeitsblatt 10: Schwarze Dose, weiße Dose
94
6 Anhang
Arbeitsblatt 11: Experimente zum Thema Luft
95
6 Anhang
Arbeitsblatt 12: Luft drückt
96
6 Anhang
Arbeitsblatt 13: Luftballon auf der Flasche
97
6 Anhang
Arbeitsblatt 14: See- und Landwind
98
6 Anhang
Arbeitsblatt 15: Windmesser
99
6 Anhang
Arbeitsblatt 16: Thermometer
100
6 Anhang
Arbeitsblatt 17: Aggregatzustände
101
6 Anhang
Arbeitsblatt 18: Wasserkreislauf
102
6 Anhang
Arbeitsblatt 19: Niederschlagsmesser
103
6 Anhang
Arbeitsblatt 20: Wolkenklassifikation
104
6 Anhang
Arbeitsblatt 21: Treibhauseffekt und Ozon
105
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IX
8 Eigenständigkeitserklärung
8. Eigenständigkeitserklärung
Hiermit erkläre ich, dass die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt, sowie die Stellen der Arbeit, die anderen Werken dem Wortlaut oder dem Sinn nach entnommen sind,
durch Angabe der Quelle kenntlich gemacht wurden.
Bad Lauterberg, den 22.04.2014
M. Hoffmann
X
9 Tabellen- und Abbildungsverzeichnis
9. Tabellen- und Abbildungsverzeichnis
Tabelle 1: Darstellung der Zeiträume von Wetter, Witterung und Klima .......... 3
Tabelle 2 Beaufort – Skala ............................................................................... 12
Tabelle 3: Stockwerke ...................................................................................... 25
Tabelle 4: Niederschlagsarten........................................................................... 28
Tabelle 5: Übersicht der Experimente .............................................................. 39
Tabelle 6: Einheit 1 - Teilschritte ..................................................................... 42
Tabelle 7: Stunde 1 – Vorschlag....................................................................... 44
Tabelle 8: Einheit 2 - Teilschritte ..................................................................... 46
Tabelle 9: Wärmestrahlerversuch Ergebnis ...................................................... 49
Tabelle 10: Stunde 2 ......................................................................................... 51
Tabelle 11: "Schwarze Dose, weiße Dose" mit Luft ........................................ 53
Tabelle 12: "Schwarze Dose, weiße Dose" mit Wasser ................................... 53
Tabelle 13: Messergebnisse "Unterschiedliche Erwärmung"........................... 56
Tabelle 14: Einheit 3 - Teilschritte ................................................................... 60
Tabelle 15: Übersicht der Experimente "Luft" ................................................. 60
Tabelle 16: Gewicht Lederball ......................................................................... 65
Tabelle 17: Einheit 4 - Teilschritte ................................................................... 75
Tabelle 18: Einheit 5 - Teilschritte ................................................................... 83
Abbildung 1: Zusammensetzung der Erdatmosphäre ......................................... 5
Abbildung 2: Schichten der Erdatmosphäre ....................................................... 7
Abbildung 3: Atmosphäre (vereinfacht) ............................................................. 7
XI
9 Tabellen- und Abbildungsverzeichnis
Abbildung 4: Haarhygrometer .......................................................................... 10
Abbildung 5: Schalenanemometer .................................................................... 11
Abbildung 6: Aufbau der Erde ......................................................................... 16
Abbildung 7: Jahreszeiten................................................................................. 18
Abbildung 8: Statischer Auftrieb ...................................................................... 20
Abbildung 9: Land- und Seewind ..................................................................... 23
Abbildung 10: Aggregatzustände ..................................................................... 27
Abbildung 11: Wärmestrahlerversuch .............................................................. 49
Abbildung 12: Schwarze und weiße Dose ........................................................ 54
Abbildung 13: Diverse Materialien in Gläsern ................................................. 56
Abbildung 14: Luft ist nicht nichts - Tetrapack................................................ 62
Abbildung 15: Luftballon in der Flasche .......................................................... 63
Abbildung 16: Trichterversuch ......................................................................... 64
Abbildung 17: Ball wiegen ............................................................................... 65
Abbildung 18: Luft drückt ................................................................................ 66
Abbildung 19: Luftballon auf der Flasche ........................................................ 67
Abbildung 20: Herdplatte und Feder ................................................................ 69
Abbildung 21: Luftdruckunterschiede .............................................................. 71
Abbildung 22: Barometer basteln aus Wetterwerkstatt, S. 54 .......................... 72
Abbildung 23: Windmesser .............................................................................. 73
Abbildung 24: Kondensation im Glas .............................................................. 77
Abbildung 25: Nebelbildung ............................................................................ 77
Abbildung 26: Wolkenentstehung .................................................................... 79
XII
9 Tabellen- und Abbildungsverzeichnis
Abbildung 27: Wolkengattungen ...................................................................... 80
Abbildung 28: Niederschlagmesser .................................................................. 81
XIII
10 Danksagung
10. Danksagung
An dieser Stelle möchte ich mich ganz herzlich bei Herrn Prof. Dr. rer. nat.
habil. Thomas Wilhelm für die Betreuung der Arbeit und für alle Anregungen
bedanken. Ein ebenso großer Dank gilt Herrn Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner,
der mir viel hilfreiches Material zur Verfügung gestellt und seine wertvolle
Unterstützung angeboten hat.
Auch dem Kollegium der Grundschule Barbis danke ich herzlich für die Bereitstellung von Materialien und den zahlreichen Anregungen.
Des Weiteren möchte ich meinen Eltern für die Hilfe und immerwährende Unterstützung danken. Bei Marcel Deppe bedanke ich mich dafür, dass er die Arbeit Korrektur gelesen hat.
Ein großer Dank gilt an dieser Stelle allen, die mich während der Arbeit unterstützt und begleitet haben.
XIV