Astronomie im Physikunterricht – aber wie?

Astronomie im Physikunterricht – aber wie?
Interesse von Schülern und Schülerinnen an astronomischen Inhalten,
Analyse von Lehrplan und Schulbüchern sowie
Erarbeitung möglicher Konzepte für praktische Umsetzungsmöglichkeiten in der Sekundarstufe I
Bachelorarbeit
aus Schulpraktische Studien und Physik
zur Erlangung des akademischen Grades
Bachelor of Education (BEd)
an der
Kirchlichen Pädagogischen Hochschule Wien/Krems
eingereicht von
Doris Neumayer
Matrikelnummer: 1094384
Wien, März 2013
Themensteller: Univ. Doz. Dr. Franz Embacher / Dipl.-Päd. MA Thomas Hugl
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Kurzzusammenfassung
Das Ziel dieser Bachelorarbeit ist, einen Weg aufzuzeigen, der den Physikunterricht durch die
Einbettung von astronomischen Themen interessanter gestalten lässt und somit der Abneigung
der Schüler- und Schülerinnen gegen den Physikunterricht entgegen wirkt. Die Analyse des
Lehrplans der Neuen Mittelschule zeigt, in welcher Schulstufe astronomische Themen einfließen können. Die Schulbuchanalyse verdeutlicht, wie wenig astronomische Themen im Schulalltag berücksichtigt werden, obwohl das Schüler-/Schülerinneninteresse sehr hoch ist, wie
die Auswertung des Schüler-/Schülerinnenfragebogens zeigt. Die Schulbuchanalyse zeigt
auch auf, in welchen Schulstufen verschiedene Autoren bestimmte astronomische Themen
behandeln. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Unterrichtskonzept für die Sekundarstufe I für sechs ausgewählte Themenbereiche ausgearbeitet.
Summary
Pupils rarely like physics class, although most of the students like astronomical topics as an
analysis of a student’s-questionnaire shows. This work also includes an analysis of the curriculum of the Neue Mittelschule to illustrate the possibilities of including astronomical topics in
physics class in 6th, 7th and 8th grade. An analysis of the physical-schoolbooks shows in which
grade different authors take account of several astronomical themes. The last part of this work
depicts a concept how to involve six specific astronomical themes in different grades of the
Neue Mittelschule.
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Vorwort
Die Grundidee zu dieser Arbeit stammte eigentlich von Herrn Professor Dr. Franz Embacher,
der mich mit seinem Enthusiasmus für die Astronomie ansteckte und somit diese Arbeit ermöglichte. Als angehende Physiklehrerin bekomme ich von meinen Mitmenschen laufend
Bedauern für meine Berufswahl ausgesprochen. Dieses Verhalten der Erwachsenen und andere Faktoren beeinflussen auch die Meinung der Schüler und Schülerinnen. Daher hat es mich
nicht verwundert, dass Physik zu einem der unbeliebtesten Fächer zählt. Das widerspricht
allerdings (meinen leider noch geringen Erfahrungen nach) dem Verhalten der Schüler und
Schülerinnen im Physikunterricht. Hier erlebe ich sie begeistert, motiviert und wissenshungrig, vor allem, wenn es um spannende Themen wie die Astronomie geht. Mit dieser Arbeit
möchte ich nicht den Anschein erwecken, Astronomie wäre das wichtigste Thema des Physikunterrichts. Ich zeige lediglich Möglichkeiten auf, den Physikunterricht Schüler- und Schülerinnenzentriert zu gestalten.
Ich bedanke mich bei Herrn Professor Thomas Hugl für die Betreuung während dieser Arbeit.
Vor allem gilt mein Dank Herrn Professor Embacher, der sehr viel Zeit in die Betreuung investiert hat und mir stets mit tollen Ratschlägen zur Seite stand. Außerdem möchte ich mich
bei Frau Direktor Renate Schodl, Herrn Direktor Mag. Josef Fürst und den Lehrkräften der
Neuen NÖ Mittelschule (NNÖMS), Poysdorf und der Europa-Hauptschule, Mistelbach für die
geopferten Unterrichtsstunden, in denen ich die Schüler-/Schülerinnenbefragung durchführen
durfte, bedanken.
Ganz besonders bedanke ich mich bei meinen Freunden und meiner Familie für ihre Geduld,
Unterstützung und Verständnis. Sie bekamen mich im letzten Jahr nur selten zu sehen. Überdies danke ich meinen Eltern, Reinhart und Christa Neumayer, Manuela Schörg-Rucka und
Thomas Schörg für ihren Einsatz beim Korrekturlesen. Ein besonderer Dank gilt auch Christian Mahr, der mir durch seine unglaublich liebenswerte, unermüdliche und tolerante Art ermöglicht, mich frei zu entfalten.
Laa/Thaya, im März 2013
Doris Neumayer
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Inhaltsverzeichnis
1.
Problemaufriss und Zielstellungen .............................................................................................. 8
2.
Einleitung .................................................................................................................................. 10
3.
Begriffsbestimmungen .............................................................................................................. 12
4.
Astronomie in den Schulen ....................................................................................................... 14
4.1.
Lehrplananalyse................................................................................................................. 14
4.2.
Schulbuchanalyse .............................................................................................................. 17
Beschreibung der Befragung und ihre Ergebnisse .................................................................... 24
5.
5.1.
Methode ................................................................................................................................. 27
5.2.
Ergebnisse ............................................................................................................................. 28
Unterrichtsvorbereitung............................................................................................................. 33
6.
6.1.
Die Funktionsweise eines Teleskops ..................................................................................... 33
6.2.
Die Entstehung von Tag und Nacht, Sommer und Winter .................................................... 35
6.3.
Ein Überblick über das Planetensystem ................................................................................ 35
6.4.
Die Raumfahrt ....................................................................................................................... 50
Unterrichtskonzepte................................................................................................................... 51
7.
8.
7.1.
Die Funktionsweise eines Teleskops ..................................................................................... 51
7.2.
Die Entstehung von Tag, Nacht und den Jahreszeiten .......................................................... 64
7.3.
Die Himmelsfarben ................................................................................................................ 68
7.4.
Die Mond- bzw. Sonnenfinsternis ......................................................................................... 80
7.5.
Die Planeten unseres Sonnensystems und die Raumfahrt ................................................... 83
Zusammenfassung ..................................................................................................................... 95
Literaturverzeichnis ............................................................................................................................... 96
Anhang ................................................................................................................................................ 104
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Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Fragebogen ...................................................................................................................... 26
Abbildung 2: Schüler-/Schülerinneninteresse an der Funktionsweise eines Teleskops ........................ 30
Abbildung 3: Schüler-/Schülerinneninteresse zu Entstehung von Tag & Nacht und Sommer & Winter
............................................................................................................................................................... 31
Abbildung 4: Vorwissen der Schüler-/Schülerinnen über die Entstehung der Himmelsfarben ............ 31
Abbildung 5: Schüler-/Schülerinneninteresse zu den Planeten unseres Sonnensystems ...................... 32
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Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Schulbuchanalyse der Schulbuchreihen: Querschnitt, Physik auf Schritt & Tritt, Prisma
Physik, Physik erleben und ganz klar .................................................................................. 19
Tabelle 2: Gesamt-Auswertung des Fragebogens ................................................................................. 30
Tabelle 3: Übersicht unseres Sonnensystems ........................................................................................ 49
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ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
AE
Astronomische Einheit
ly
Lichtjahr
UE
Unterrichtseinheit
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1.
Problemaufriss und Zielstellungen
Die Astronomie zählt zu den ältesten Naturwissenschaften. Lange bevor die Menschen anfingen Naturgesetze zu untersuchen, studierten sie bereits nachts den Sternenhimmel und verfolgten den Verlauf seiner Himmelskörper. Aufzeichnungen der ägyptischen Kultur reichen
sogar bis in das 4. Jahrtausend vor Christi Geburt zurück. Aber auch in westlichen Ländern
verfügten die Menschen über astronomische Kenntnisse. Stonehenge, das in Mittelengland
liegt, wurde vor etwa 4 000 Jahren erbaut. Zwar ist bis heute noch nicht völlig geklärt wozu
die Gesteinsansammlung tatsächlich diente, doch deutet die Anordnung der Steine des Bauwerks auf astronomische Zwecke hin.1
Untersuchungen zeigen ein mangelndes Schüler- und Schülerinneninteresse am Physikunterricht, jedoch nicht an manchen Teilgebieten, wie unter anderem der Astronomie/Kosmologie.2 Die Leitidee dieser Arbeit ist, die Interessensorientierung zur Motivationsförderung von Beginn an zu nutzen. Zum einen ist durch vorhandenes Interesse eine Leistungssteigerung erkennbar, zum anderen spiegelt sich dieses Interesse im Erwachsenenleben
wieder. 3 Die Astronomie soll nicht mehr als „Randthema“ der achten Schulstufe gesehen
werden, sondern laufend in den Unterricht ab der sechsten Schulstufe einfließen.
Eine Schwierigkeit mag sein, dass die Lehrkräfte zu wenig in der Astronomie ausgebildet
werden. Diese Tatsache kann nicht geleugnet werden, allerdings muss berücksichtigt werden,
dass Umfragen ein großes Interesse an der Astronomie zeigen. Ein Merkmal guten Unterrichts
nach Hilbert Meyer ist sinnstiftende Kommunikation, worunter unter anderem auch das Schüler- und Schülerinnenfeedback verstanden wird. Wenn nun Schüler und Schülerinnen bereits
angeben, dass sie an einem Wissenszuwachs in diesem Bereich Interesse haben, liegt dann
nicht die Eigenverantwortung bei der Lehrkraft, sich weiterzubilden?4
Widersacher erwähnen auch oft das Argument, dass praktische Beobachtungen nicht ganz
unkompliziert und vor allem mit Kosten verbunden sind. Vergessen wird hier jedoch, dass der
1
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001), S. 8
WILLER, Jörg (2003): S. 26, 29
3
WILLER, Jörg (2003): S. 8
4
vgl. RATH (o.J.a); MEYER (2004), S. 71 ff
2
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Nachthimmel eine große Faszination ausübt und Beobachtungen bereits mit einfachen Ferngläsern oder freiem Auge durchgeführt werden können.5
Ein weiteres Argument gegen die Einbettung der Astronomie in den Physikunterricht ist, dass
die Himmelskunde eigentlich ein eigenes Fach darstellt und die bereits knappe Unterrichtszeit
des Physikfaches noch mehr beeinträchtigt. Befürworter entgegnen, dass die Astronomie eines der neuzeitlichsten Forschungsgebiete ist, das an der Frage des Weltbildes rührt. Die Sternenkunde ist vielseitig und fächerübergreifend. Da in Österreich keine separaten Unterrichtsstunden vorgesehen sind, muss die Astronomie im bestehenden Unterricht Platz finden.6
Die aufgestellte Hypothese „Es wird angenommen, dass Schüler und Schülerinnen der Sekundarstufe I (5. bis 8. Schulstufe) ein großes Interesse an astronomischen Themen zeigen“, wird
sich als richtig herausstellen. Auch die zweite Hypothese „Es wird angenommen, dass Teilbereiche der Astronomie laufend in jeder Schulstufe der Sekundarstufe I einfließen können“,
wird sich als richtig erweisen.
Die zentralen Forschungsfragen lauten dementsprechend:
-
Welche Teilbereiche der Astronomie interessieren die Schüler bzw. Schülerinnen der
Sekundarstufe I am meisten?
-
Welche
dieser
astronomischen
Themen
können
im
Physikunterricht
Sekundarstufe I in Orientierung an den Lehrplan gelehrt werden?
-
5
6
Welche Themen sind geeignet und in welche Stoffgebiete können sie einfließen?
vgl. RATH (o.J.a)
vgl. RATH (o.J.a)
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der
2.
Einleitung
Um den Rahmen dieser Arbeit nicht zu sprengen, liegt der Fokus auf sechs Themen, für die
die Analysen sowie das Unterrichtskonzept erarbeitet wurden:
1. Die Funktionsweise eines Teleskops
2. Die Entstehung von Tag, Nacht, Sommer und Winter
3. Die Himmelsfarben
4. Die Mond- und Sonnenfinsternis
5. Die Planeten unseres Sonnensystems
6. Die Raumfahrt
Bei der Wahl dieser Themen wurde berücksichtigt, dass sie für Schüler und Schülerinnen der
Sekundarstufe I geeignet sind.
Im ersten Teil der Arbeit werden der Lehrplan der Sekundarstufe I sowie verschiedene Schulbücher für den Physikunterricht in Bezug auf astronomische Themen analysiert. Die Lehrplananalyse zeigt, in welcher Schulstufe die Astronomie explizit unterrichtet werden sollte
und wo darüber hinaus eine Einbettung von astronomischen Themen in der gesamten Sekundarstufe I im Physikunterricht möglich ist. Es wird aufgezeigt, in welchen Themengebieten
der Physik die sechs astronomische Teilbereiche einfließen können. Die Schulbuchanalyse
vergleicht astronomische Inhalte verschiedener Schulbuchreihen der Physikbücher der Sekundarstufe I von der 6. bis 8. Schulstufe.
Anhand einer empirisch-quantitativen Forschung wird der Fragebogen „Schüler- und Schülerinneninteresse an der Astronomie“ in Bezug auf folgende Fragen im 2. Teil dieser Arbeit
ausgewertet und interpretiert: Welche Themen finden die Schüler und Schülerinnen besonders
interessant? Ist ein Unterschied zwischen den Schulstufen erkennbar? Besteht ein Unterschied
zwischen Mädchen und Burschen? Wie viel Vorwissen ist (nach Selbsteinschätzung der Schüler und Schülerinnen) bereits gegeben?
Der dritte Teil der Arbeit beinhaltet die Sachanalyse, die zur Unterrichtsvorbereitung unabdingbar ist. Hier werden astronomische Begriffe für Lehrer und Lehrerinnen erklärt. Dieser
Teil ist bereits als Vorbereitung für den vierten Teil, das Unterrichtskonzept zu sehen.
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Der vierte und letzte Teil soll Möglichkeiten aufzeigen, wie die sechs ausgewählten astronomischen Teilgebiete im Physikunterricht der Sekundarstufe I einfließen können. Es werden
verschiedene Unterrichtskonzepte für eine Einbettung dieser astronomischen Themen in den
Physikunterricht der Sekundarstufe I vorgestellt. Die Erarbeitung der Konzepte soll sich dabei
an folgenden Leitfragen orientieren: Welches Vorwissen muss gegeben sein, um bestimmte
Themen zu verstehen? Wie kann eine erfolgreiche Umsetzung aussehen?
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3.
Begriffsbestimmungen
Planeten bewegen sich um eine Sonne. Sie sind zumindest fast kugelförmige und massereiche Himmelskörper, die das Sonnenlicht reflektieren. Auch Monde und Planetoiden reflektieren das Sonnenlicht. Monde bewegen sich um einen anderen Himmelkörper als die Sonne.
Planetoiden bewegen sich um die Sonne. Sie sind relativ kleine Himmelskörper, die meist
keine kugelförmige Gestalt haben. Ein Komet besteht hauptsächlich aus Eis und darin eingelagerte Gesteins- und Staubteilchen. Der Kometenschweif entsteht in Sonnennähe, wenn sich
Staub und Gase von der Oberfläche des Kometen lösen. Ein Meteoroid ist ein Kleinstkörper
in einem Planetensystem. Sie können in unsere Erdatmosphäre eindringen, in welcher sie
Leuchterscheinungen, als Meteor, hervorrufen können. Größere Meteoroide verdampfen nicht
vollständig in der Erdatmosphäre, sondern fallen auf den Erdboden und heißen dann Meteorite. In Namibia liegt der größte bekannte Meteorit mit einer Masse von 60 Tonnen.7
Die International Astronomical Union wurde im Jahr 1919 gegründet. Sie hat die Aufgabe
die Wissenschaft der Astronomie durch internationale Zusammenarbeit zu fördern und zu
sichern. Ihre Mitglieder sind ausgebildete Astronomen aus 93 Ländern.8
Durch astronomische Symbole kann eine Vielzahl an Himmelskörpern dargestellt werden.
So zeigt z.B. das Zeichen der Erde den Nullmeridian und den Äquator. Das Symbol des Planeten Neptuns stellt den Dreizack der Gottheit Neptun dar.9
Im Universum sind Entfernungen sehr groß. Daher entstanden in der Astronomie spezielle
Entfernungseinheiten. Der Abstand zwischen Sonne und Erde wird als Astronomische Einheit (AE) bezeichnet. 1 AE entspricht somit etwa 150 Millionen Kilometer. Ein Lichtjahr
(ly) gibt die Entfernung an, die das Licht in einem Jahr zurücklegt. Da das Licht mit etwa
300 000 km/s reist, beträgt ein Lichtjahr 6,3243 ∗ 10 AE, was etwa 9,5 Billiarden Meter oder
etwa 9,5 Billionen km sind.10
7
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 94 ff
vgl. IAU – INTERNATIONAL ASTRONOMICAL UNION (o.J.b)
9
vgl. WIKIPEDIA (2012b)
10
vgl. HARTMANN (2006): S. 28; HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 37
8
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Unter Absorption wird im Allgemeinen das In-sich-Aufnehmen oder Aufsaugen verstanden.
Im physikalischen Gebrauch bedeutet die Absorption im Zusammenhang mit Wellen oder
Teilchen eine Abschwächung der ursprünglichen Wellen.11
Ein Kernschatten ist der Teil des Schattens, in den kein Sonnenstrahl trifft. Der Halbschatten ist etwas heller und umgibt den Kernschatten, der im Zentrum des Schattens liegt.12
11
12
vgl. WIKIPEDIA (2012e)
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 126
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4.
Astronomie in den Schulen
Im folgenden Abschnitt wird zunächst der Lehrplan der Neuen Mittelschule analysiert. Dieser
Teil der Arbeit beschreibt, in welcher Schulstufe die Astronomie behandelt werden kann und
welche Themenbereiche der Astronomie im Detail unterrichtet werden sollen. Die Lehrplananalyse wird zeigen, dass der Lehrplan viele Möglichkeiten bietet, astronomische Themen in
den Unterricht der 6. und 7. Schulstufe einfließen zu lassen. Danach werden in der Schulbuchanalyse 16 Physik-Schulbücher der sechsten bis achten Schulstufe auf astronomische
Inhalte untersucht. Analysiert wurden die Schulbuch-Reihen Querschnitt (3 Schulstufen),
Physik auf Schritt & Tritt (3 Schulstufen), Prisma Physik (3 Schulstufen), Physik erleben (3
Schulstufen) und ganz klar (4 Schulstufen). Diese Schulbücher wurden für die Sekundarstufe
I konzipiert und vom Bundesministerium für Unterricht, Kunst und Kultur für geeignet erklärt.
4.1. Lehrplananalyse
Der Lehrplan der Neuen Mittelschule kann auf der Homepage des Bildungsministeriums unter
dem Link http://www.bmukk.gv.at/medienpool/22513/bgbla_2012_ii_185_anl1.pdf eingesehen werden.13 Explizit wird die Astronomie erst in der 4. Klasse angesprochen, wenn es heißt:
Die Welt des Sichtbaren:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler grundlegendes Verständnis über
Entstehung und Ausbreitungsverhalten des Lichtes erwerben und anwenden können.
- Die Voraussetzungen für die Sichtbarkeit von Körpern erkennen und die Folgeerscheinungen der geradlinigen Lichtausbreitung verstehen;
- Funktionsprinzipien optischer Geräte und deren Grenzen bei der Bilderzeugung verstehen und Einblicke in die kulturhistorische Bedeutung gewinnen (ebener und gekrümmter Spiegel; Brechung und Totalreflexion, Fernrohr und Mikroskop);
- grundlegendes Wissen über das Zustandekommen von Farben in der Natur erwerben.
Gekrümmte Wege auf der Erde und im Weltall:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefergehendes Verständnis der Auswirkungen von Kräften auf das Bewegungsverhalten von Körpern gewinnen.
- Eine Bewegung längs einer gekrümmten Bahn als Folge der Einwirkung einer Querkraft verstehen;
Zentripetalkraft;
- die Gewichtskraft als Gravitationskraft deuten können;
- Bewegungen von Planeten und Satelliten grundlegend erklären können.
Das radioaktive Verhalten der Materie:
Ausgehend von Alltagsvorstellungen der Schülerinnen und Schüler soll ein grundlegendes Verständnis
wichtiger Vorgänge in Atomkernen erzielt werden.
- Einsichten in Veränderungen im Atomkern als Ursache der “Radioaktivität” gewinnen (Eigenschaften
von Alpha-, Beta- und Gammastrahlen);
- radioaktiven Zerfall als ständig auftretenden Vorgang erkennen;
13
vgl. BMUKK (2012)
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- grundlegende Vorgänge bei der Energieumsetzung in der Sonne, in Sternen und bei Kernreaktionen verstehen können (Kernfusion, Kernspaltung).14
Hier ist zum einen klar definiert, was die Schüler und Schülerinnen am Ende des Schuljahres
wissen sollen (wie z.B. Sonnen- und Mondfinsternis, das Teleskop oder die Entstehung der
Farben in der Natur) und doch lässt es einen gewissen Spielraum für die Lehrkraft offen,
wie viel von der Astronomie in den Unterricht einfließen soll. So soll der Lehrer/die Lehrerin
zwar Bewegungen von Planeten und Satelliten grundlegend erklären, doch ist nicht ausdrücklich festgehalten, dass Schüler und Schülerinnen wissen sollen, welche Planeten unser Planetensystem hat bzw. was ein Satellit ist und welche es gibt. Da der Lehrstoff teilweise sehr
allgemein gehalten ist, finden astronomische Themen auch in den unteren Schulstufen Platz.
So besagt der Kernstoff der 2. Klasse „Ausgehend vom Interesse und von Fragestellungen, die
von den Schülerinnen und Schülern kommen, soll ein “motivierender Streifzug” durch unterschiedlichste Bereiche des belebten und unbelebten Naturgeschehens unternommen werden“15. Da die Astronomie, wie bereits erwähnt, für Schüler und Schülerinnen zu den spannendsten Themen zählt, kann bereits in der 2. Klasse das eine oder andere „mit-unterrichtet“
werden. Auch heißt es:
Ausgehend von unterschiedlichen Bewegungsabläufen im Alltag, im Sport, in der Natur bzw. in der Technik sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefer gehendes Verständnis der Bewegungsmöglichkeiten, der Bewegungsursachen und der Bewegungshemmungen von belebten und unbelebten Körpern ihrer täglichen Erfahrungswelt sowie des eigenen Körpers gewinnen. Weg und Geschwindigkeit; die gleichförmige und die gleichförmig beschleunigte Bewegung; Masse und Kraft; Masse und Trägheit; Gewichtskraft und Reibungskraft.16
Bei dieser Definition wird dem Lehrer/der Lehrerin unter anderem die Möglichkeit eröffnet,
mit den Schülern und Schülerinnen zu berechnen, wie lange ein Jet um die Sonne und wie
lange er im Vergleich dazu um die Erde braucht. Den Schülern und Schülerinnen kann somit
die Größe dieses Himmelskörpers anschaulich vermittelt werden. Um die Entfernung zur
Sonne anschaulich zu machen, kann erklärt werden, wie lange ein Sonnenstrahl zur Erde
braucht. Im Weiteren kann auch aufgezeigt werden, dass ein Körper mit bestimmter Masse
auf unterschiedlichen Planeten nicht das gleiche Gewicht hat. Hier ist auch Platz für die
Raumfahrt: Wie sieht das Leben der Astronauten aus, wer war der erste Mensch am Mond,
wie lange dauerte der Flug zum Mond, etc. Ein weiteres Thema der 2. Klasse ist der Schall:
Alle Körper bestehen aus Teilchen:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler immer intensiver mit dem Teilchenmodell und seinen Auswirkungen auf diverse Körpereigenschaften vertraut gemacht werden.
14
BMUKK (2012): S. 74
BMUKK (2012): S. 72
16
BMUKK (2012): S. 72
15
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- Teilchenmodell aller Körper und wichtige Auswirkungen akzeptieren und verstehen;
- grundlegende Zusammenhänge zwischen dem Teilchenaufbau und grundlegenden Wärmephänomenen
verstehen; Temperatur, Wärme, Wärmemenge und Wärmedehnung;
- grundlegendes Wissen über Entstehung und Ausbreitung des Schalls erwerben und anwenden können;
Druck, Frequenz, Tonhöhe, Lautstärke, Schallgeschwindigkeit;
- Ursache des Schwimmens, Schwebens und Sinkens von Körpern im Wasser verstehen und anwenden
17
können; Dichte von Stoffen, Gewichtsdruck in Flüssigkeiten und in Luft.
Hier kann die Unmöglichkeit der Schall-Ausbreitung im Weltall besprochen werden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Dichte von Stoffen. Dieser ermöglicht dem Lehrer bzw. der Lehrerin, die Dichte der Planeten zu streifen.
Der Kernstoff der 3. Klasse beschäftigt sich unter anderem mit der Wärmestrahlung und den
Jahreszeiten:
Unser Leben im “Wärmebad”:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefergehendes Verständnis der thermischen Vorgänge in der unbelebten und belebten Welt gewinnen.
- Die Alltagsbegriffe “Wärme” und “Kälte” als Bewegungsenergie der Aufbauteilchen der Körper sowie
den Unterschied zwischen “Wärme” und “Temperatur” verstehen;
- modellartig verschiedene Formen des Wärmetransportes und wichtige Folgerungen erklären können;
Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung;
- die Bedeutung der Wärmeenergie für Lebewesen in ihrer Umwelt erkennen;
- die Bedeutung der Wärmeenergie im wirtschaftlichen und ökologischen Zusammenhang sehen;
- Zustandsänderungen und dabei auftretende Energieumsetzungen mit Hilfe des Teilchenmodells erklären
können;
- Einsichten in globale und lokale Wettervorgänge und Klimaerscheinungen gewinnen (Jahreszeit, Was18
serkreislauf auf der Erde, Meeresströmungen, Windsysteme).
In dieser Schulstufe wird explizit darauf hingewiesen, dass Schüler und Schülerinnen Einsichten in Wettervorgänge, Klimaerscheinungen und die Jahreszeiten bekommen sollen. Darüber
hinaus kann erarbeitet werden, warum es Tag und Nacht gibt.
Die Lehrplananalyse zeigt, in welcher Schulstufe die sechs Themenbereiche, auf die sich diese Bachelorarbeit konzentriert, unterrichtet werden können. Die Schulbuchanalyse wird zeigen, dass nicht alle Themen in Schulbüchern behandelt werden. Das trifft auch für Themen
zu, die ausdrücklich im Lehrplan stehen.
17
18
BMUKK (2012): S. 72
BMUKK (2012): S. 73
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4.2. Schulbuchanalyse
Dieser Teil der Arbeit stellt Inhalte über die Astronomie in ausgewählten Unterrichtsbüchern
gegenüber. Untersucht wurden insgesamt 40 Bücher der 6., 7. und 8. Schulstufe; dabei wird
auf 16 Bücher der Buchreihen Querschnitt, Physik auf Schritt & Tritt, Prisma Physik, Physik
erleben und ganz klar näher eingegangen. Außer den bereits erwähnten Büchern wurden auch
folgende Schulbücher der zweiten bis vierten Schulstufe der Sekundarstufe I analysiert: Du
und die Physik; Arbeitslehrbuch für Physik HS; Arbeitslehrbuch für Physik HS/NMS/AHS;
Physik; Lehrbuch der Physik; Physik kurzgefasst; Physik in unserer Welt und Physik verstehen. Im Detail werden jene Bücher verglichen, die mich in Bezug auf Inhalt und Design am
meisten angesprochen haben.
Die nachstehende Tabelle zeigt die Fragen des im Teil 2, Beschreibung der Befragung und
ihre Ergebnisse vorgestellten Fragebogens (Seiten 25 und 26) in der linken Spalte. Auf welchen Seiten diese in den verschiedenen Büchern behandelt werden, wird in den nebenstehenden Spalten angegeben. Die rot gefärbten Zeilen markieren jene Fragen, die in keinem Schulbuch erörtert werden. Der blau eingefärbte Text weist auf jene sechs Themen hin, die in dieser
Bachelorarbeit näher behandelt werden.
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QUERSCHNITT
BÜCHER:
KLASSE:
2
3
ASTRONOMIE IM ALLGEMEINEN
Wie ich mich am Sternenhimmel orientieren
kann.
Wie ein Teleskop funktioniert.
4
PHYSIK AUF SCHRITT
& TRITT
2
3
4
PRISMA PHYSIK
2
3
PHYSIK ERLEBEN
4
2
3
4
GANZ KLAR
2
2/3
3
4
112, 113
65
79, 80
46, 47,
108, 109
84
Was ich sehe, wenn ich durch ein Teleskop
schaue.
Was ein Lichtjahr ist.
46, 47,
108, 109
UNSERE ERDE
Warum es die Erde heute überhaupt gibt
(Urknall).
Warum sich unsere Erde dreht.
Warum es Tag und Nacht gibt.
Warum es Sommer und Winter gibt.
21, 22
46, 62
111
44
46
112
44, 45,
61
46
140,
141
80, 85
98, 99
Wer den Kalender erfunden hat.
Wie die Farben von Himmel und Meer entstehen (Blau, Türkis, Abendrot, Regenbogen).
GALAXIEN
Warum der Mond nicht auf die Erde fällt.
68, 69
84
41, 6870
47, 50
48
60
Ob ich auch am Mond Sterne sehen kann.
Was bei einer Mondfinsternis passiert.
Wie unsere Sonne funktioniert.
Was bei einer Sonnenfinsternis passiert.
48
44, 45,
80
61
34
48
Seite 18 von 120
47
37
106, 107
90
91
74, 75
47
37
106, 107
QUERSCHNITT
BÜCHER:
KLASSE:
2
3
4
PHYSIK AUF SCHRITT
& TRITT
2
3
4
PRISMA PHYSIK
2
3
PHYSIK ERLEBEN
4
2
3
4
GANZ KLAR
2
2/3
3
4
Warum die Sterne nicht vom Himmel fallen.
Woher die Sternschnuppen kommen und
wohin sie fallen.
Warum die Sterne für uns funkeln.
Wie das Leben eines Sterns aussieht (weißer
Zwerg, roter Riese, schwarzes Loch, …).
Welche Planeten es gibt und wie es auf
ihnen aussieht.
Was eine Galaxie ist.
112
78, 79
103 108
92, 93
61, 89
100, 101
Welche Galaxien es gibt.
109
Was die Milchstraße ist.
90, 91
Was Asteroiden, Kometen oder Meteorite
sind.
Wie groß das Universum ist.
109
91
RAUMFAHRT
Wie Astronauten in einem Raumschiff leben
(Essen, Toilette, Warum schweben sie?).
Wie ein Raumschiff funktioniert.
Wer der erste Mann am Mond war.
Warum (künstliche) Satelliten nicht vom
Himmel fallen.
24
26
94, 95
67
8, 64
42, 90
98, 99
90, 91
77
76, 77
60
Tabelle 1: Schulbuchanalyse der Schulbuchreihen: Querschnitt, Physik auf Schritt & Tritt, Prisma Physik, Physik erleben und ganz klar
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98, 99
Die Funktionsweise eines Teleskops
Vier der fünf Schulbuchreihen behandeln die Funktionsweise eines Teleskops in der 4. Klasse, wie es auch laut Lehrplan sein soll. Aber nur zwei der untersuchten Bücher gehen näher
auf dieses Thema ein. Im Schulbuch Physik erleben wird die Funktionsweise eines Teleskops
überhaupt nicht behandelt. Im Schulbuch Prisma (4. Klasse, S. 84) beschränkt sich die Erwähnung des Fernrohrs auf einen kurzen Satz. Angeführt wird, dass Sir Isaac Newton das
Spiegelteleskop erfunden hat. Allerdings wird es hier im Zusammenhang mit Lichtexperimenten erwähnt. Die Funktionsweise und Beobachtungen im Weltall gehen komplett verloren.
Das Schulbuch Querschnitt (4. Klasse, S. 65) widmet dem Fernrohr eine Seite. Der erste Absatz beschreibt, dass unsere Kenntnisse über das Weltall durch Fernrohre gewachsen sind,
jedoch wird im Weiteren nur die Funktionsweise des Prismenfernglases näher erklärt. Das
Schulbuch Physik auf Schritt und Tritt 3 (4. Klasse) behandelt das Fernrohr auf zwei Seiten
(S. 79, 80). Zunächst wird auf die Funktionsweise eingegangen, danach werden das Prismenfernglas und das Spiegelteleskop näher erklärt. Das Schulbuch ganz klar (4. Klasse) geht am
stärksten auf das Thema Fernrohr ein und verstärkt durch Bilder vom Universum als einziges
Buch die Vorstellungskraft der Schüler und Schülerinnen. So findet man auf den Seiten 46
und 47 das Kepler’sche Fernrohr mit Bildern einer Galaxie und dem Adler Nebel. Dieses
Schulbuch hat ein gesondertes Kapitel: Die Astronomie. Hier wird auf den Seiten 108 und 109
noch einmal auf das Fernrohr eingegangen. Auf den beiden Seiten finden Stonehenge, Linsenfernrohre, das Hubble-Space-Teleskop und das Radioteleskop Platz.
Die Entstehung von Tag, Nacht und den Jahreszeiten
Alle untersuchten Schulbuchreihen behandeln in der 3. Klasse das Thema Jahreszeiten. Dies
deckt die Forderung des Lehrplans ab. Physik auf Schritt & Tritt und Prisma Physik erklären
noch einmal in der 4. Klasse die Entstehung der Jahreszeiten. Beide Bücher gehen auch auf
die Entstehung von Tag und Nacht ein. Im Schulbuch Physik auf Schritt & Tritt wird die Entstehung von Tag und Nacht in der 4. Klasse auf einer Seite, ausgehend von einem Schüler/Schülerinnenversuch, erklärt. Das Buch Prisma Physik veranschaulicht zunächst in der 3.
Klasse kurz, dass die der Sonne zugewandte Erdseite, die „Tagseite“, und die Schattenseite,
die „Nachtseite“, ist. Näher wird dieses Phänomen in der 4. Klasse erläutert. Das Schulbuch
Querschnitt erläutert die Entstehung der Jahreszeiten auf einer Seite und unterstützt diese
durch eine grafische Darstellung. Physik auf Schritt & Tritt erörtert im Buch der 3. Klasse
zunächst die Entstehung der Jahreszeiten anhand eines Versuches, bei dem ein Bügeleisen
Seite 20 von 120
senkrecht sowie schräg über einem Thermometer gehalten wird und die unterschiedlichen
Temperaturen gemessen werden. Einige Seiten später wird das Phänomen Jahreszeiten noch
einmal auf einer halben Seite mit Text und einer grafischen Darstellung erklärt. In der 4.
Klasse greift das Schulbuch Physik auf Schritt & Tritt das Thema noch einmal auf, wobei die
Erklärung in diesem Band eher verwirrend ausfällt. Die einfache Grafik der 3. Klasse wird
durch eine unübersichtliche Grafik ersetzt. Das Buch Prisma Physik macht die Jahreszeiten in
der 3. Klasse anhand einer Lampe begreiflich und zeigt die unterschiedliche Fläche, die bestrahlt wird. Danach wird in einem Projekt die Jahrestemperatur ermittelt. Im Schulbuch Physik erleben (3. Klasse) wird die Entstehung der Jahreszeiten auf einer Seite verdeutlicht. Dabei wird auf eine einfache grafische Darstellung verzichtet. Detailliert wird auf zwei Seiten
die Entstehung der Jahreszeiten im Schulbuch ganz klar dargestellt.
Die Himmelsfarben
Die Entstehung der
Himmelsfarben wird in allen untersuchten Schulbuchreihen in den
4. Klassen behandelt, was auch dem Lehrplan entspricht. Lediglich das Schulbuch Physik
erleben behandelt nicht nur die Entstehung eines Regenbogens, sondern auch das Himmelsblau und das Abendrot. Die anderen untersuchten Schulbücher beschränken sich auf das Naturphänomen Regenbogen. In den Schulbüchern Querschnitt und Physik auf Schritt & Tritt
wird aufgezeigt, wie und wann man einen Regenbogen sehen kann und dass dieser die Auffächerung des für uns weißen Sonnenlichts ist. Danach wird in beiden Büchern mit einem Freihandversuch selbst ein Regenbogen erzeugt. Im Buch Prisma Physik wird auf der Seite 41
erklärt, wann man einen Regenbogen sehen kann. Näher wird das Phänomen dann auf den
Seiten 68 - 70 erörtert. Das Schulbuch ganz klar veranschaulicht detailliert wie das Licht in
einem Wassertropfen gebrochen und reflektiert wird.
Die Mond- bzw. Sonnenfinsternis
Lediglich Physik auf Schritt & Tritt behandelt nicht, wie eine Mond- bzw. Sonnenfinsternis
entsteht. Die anderen Schulbuchreihen erklären dies in der 4. Klasse, wie es auch der Lehrplan vorsieht. In den Schulbüchern Querschnitt und Prisma Physik werden die Mond- und
Sonnenfinsternis ähnlich auf einer Seite erläutert: Durch eine grafische, modellartige Darstellung wird die Erklärung zur Mond- bzw. Sonnenfinsternis bildlich unterstützt. Die Veranschaulichung der Mond- und Sonnenfinsternis im Buch Physik erleben (4. Klasse) ist realiSeite 21 von 120
tätsnah. Die Abbildung stellt die Sonne, den Mond und die Erde in Farben und dreidimensional dar. Dies erlaubt eine einfachere und klarere Erklärung und ermöglicht den Schülern und
Schülerinnen die Finsternis einfacher zu verstehen. Im Schulbuch ganz klar (4. Klasse) wird
die Mond- bzw. Sonnenfinsternis auf zwei Seiten genau erklärt. Eine einfache grafische Darstellung fehlt jedoch.
Die Planeten unseres Sonnensystems
Alle untersuchten Schulbuchreihen informieren die Schüler und Schülerinnen der 4. Klasse
über die Planeten unseres Sonnensystems, wobei alle Schulbücher noch von 9 Planeten ausgehen. Die Planeten könnten nach Lehrplan bereits in der 2. Klasse Platz finden. Das Schulbuch Querschnitt erklärt die Eigenschaften der Planeten sehr detailliert. So findet man in diesem Schulbuch eine Tabelle mit den Entfernungen zur Sonne, den Umlaufzeiten der Planeten
um die Sonne, den Planetendurchmessern, etc. Physik auf Schritt & Tritt beschreibt unser
Sonnensystem in der 4. Klasse von Seite 103 bis 108. Hier wird zunächst der Aufbau des
Sonnensystems erklärt. Danach werden anhand eines Modells, das die Schüler und Schülerinnen nachbauen können, detaillierte Fakten der einzelnen Planeten behandelt. Das Buch Prisma Physik veranschaulicht auf Seite 90 zunächst kurz unsere Sonne und wie unser Sonnensystem aufgebaut ist. Die nächste Seite erläutert die Milchstraße und Entfernungen im Weltraum. Danach werden unsere Planeten näher besprochen. Auch Prisma Physik bietet eine
Übersicht mit den Durchmessern der Planeten, den Entfernungen zur Sonne, den unterschiedlichen Oberflächentemperaturen, etc. Das Schulbuch Physik erleben (4. Klasse) behandelt den
Aufbau unseres Sonnensystems nur sehr kurz, wobei die Planeten nicht genauer erklärt werden. Das Schulbuch ganz klar (4. Klasse) erwähnt kurz die Planeten, setzt den Schwerpunkt
aber auf die Planetenbahnen und nicht auf die Eigenschaften der Planeten.
Die Raumfahrt
Die Raumfahrt wird in den Schulbüchern sehr unterschiedlich behandelt oder wie im Schulbuch Physik auf Schritt & Tritt gar nicht erwähnt. So zeigen die Bücher Querschnitt, Prisma
Physik und Physik erleben ähnlich die Funktionsweise einer Rakete anhand eines Versuches
bereits in der 2. Klasse auf. Das Schulbuch ganz klar (2. Klasse) hingegen bringt die Funktionsweise einer Rakete mit der Natur in Verbindung und beginnt damit, das Fortbewegungsprinzip eines Tintenfisches zu beschreiben. Danach wird auf zwei Seiten erklärt, wie eine RaSeite 22 von 120
kete funktioniert und mit einem Versuch veranschaulicht. Neil Armstrong und Edwin Aldrin
werden nur im Schulbuch Querschnitt in der 4. Klasse erwähnt. Jedoch behandeln alle Schulbücher der 4. Klasse das Thema „Künstliche Satelliten“ ähnlich auf einer Seite. Es wird unter
anderem erörtert, warum sie nicht vom Himmel fallen, in welcher Höhe sie die Erde umkreisen, wie lange sie brauchen um unsere Erde zu umkreisen (bei unterschiedlichen Höhen),
u.v.m. Das Buch Querschnitt erläutert bereits in der 2. Klasse in einem Absatz die Schwerelosigkeit von Astronauten in einer Raumstation. Lediglich Prisma Physik behandelt über 2 Seiten, wie Astronauten im Weltall leben. Nur das Schulbuch ganz klar (2. Klasse) geht etwas
näher auf die Geschichte der Raumfahrt (Seiten 97, 98) ein.
Seite 23 von 120
5.
Beschreibung der Befragung und ihre Ergebnisse
Untersuchungen zeigen, dass das Interesse am Physikunterricht mit zunehmendem Alter abnimmt. Physik zählt demnach sogar zu den unbeliebtesten Fächern in der Schule. Dieses Desinteresse bezieht sich jedoch nicht auf alle Teilgebiete der Physik. So zeigen Schüler und
Schülerinnen durchaus Interesse an der Astronomie und Kosmologie. Dieses Interesse der
Schüler und Schülerinnen soll zur Motivationsförderung im Physikunterricht von Beginn an
genutzt werden. Zum einen ist durch vorhandenes Interesse eine Leistungssteigerung erkennbar, zum anderen spiegelt sich dieses Interesse im Erwachsenenleben wieder.19 Die Astronomie soll nicht mehr als „Randthema“ der achten Schulstufe gesehen werden, sondern laufend
in den Unterricht ab der sechsten Schulstufe einfließen. Um das Interesse und die Vorkenntnisse der Schüler und Schülerinnen der Neuen Mittelschulen in Mistelbach und Poysdorf zu
ermitteln, wurde der nachstehende Fragebogen entwickelt.
19
WILLER (2003): S. 8, 26, 29
Seite 24 von 120
SCHÜLER-/SCHÜLERINNENFRAGEBOGEN ÜBER DAS INTERESSE AN
DER ASTRONOMIE
ZUNÄCHST EIN PAAR FRAGEN ZU DEINER PERSON:
Geschlecht:
männlich
weiblich
Wie alt bist du? __________ Jahre
Ich gehe in die __________Klasse
NUN GEHT ES UM DEIN INTERESSE
Kreuze bitte in jeder Zeile nur eine Antwort an. Wähle dabei das Feld aus, das am ehesten zutrifft.
WIE VIEL WEIßT DU
SCHON?
1 = SEHR VIEL;
5 = GAR NICHTS
1
2
3
4
5
WIE SEHR INTERESSIERT DICH…
SEHR
STARK
STARK
GERING
GAR
NICHT
o
o
o
o
Wie ich mich am Sternenhimmel orientieren
kann.
Wie ein Teleskop funktioniert.
o
o
o
o
o
o
o
o
Was ich sehe, wenn ich durch ein Teleskop
schaue.
Was ein Lichtjahr ist.
o
o
o
o
o
o
o
o
Warum es die Erde heute überhaupt gibt (Urknall).
o
o
o
o
Warum sich unsere Erde dreht.
o
o
o
o
Warum es Tag und Nacht gibt.
o
o
o
o
Warum es Sommer und Winter gibt.
o
o
o
o
Wer den Kalender erfunden hat.
o
o
o
o
Wie die Farben von Himmel und Meer entstehen
(Blau, Türkis, Abendrot, Regenbogen).
GALAXIEN
o
o
o
o
Warum der Mond nicht auf die Erde fällt.
o
o
o
o
Ob ich auch am Mond Sterne sehen kann.
o
o
o
o
Was bei einer Mondfinsternis passiert.
o
o
o
o
Die Astronomie generell.
ASTRONOMIE IM ALLGEMEINEN
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
UNSERE ERDE
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
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3
4
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2
3
4
5
1
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3
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1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Seite 25 von 120
WIE VIEL WEIßT DU
SCHON?
1 = SEHR VIEL;
5 = GAR NICHTS
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
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5
1
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3
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5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
WIE SEHR INTERESSIERT DICH…
SEHR
STARK
STARK
GERING
GAR
NICHT
Wie unsere Sonne funktioniert.
o
o
o
o
Was bei einer Sonnenfinsternis passiert.
o
o
o
o
Warum die Sterne nicht vom Himmel fallen.
o
o
o
o
Woher die Sternschnuppen kommen und wohin
sie fallen.
Warum die Sterne für uns funkeln.
o
o
o
o
o
o
o
o
Wie das Leben eines Sterns aussieht (weißer
Zwerg, roter Riese, schwarzes Loch, …).
Welche Planeten es gibt und wie es auf ihnen
aussieht.
Was eine Galaxie ist.
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
o
Welche Galaxien es gibt.
o
o
o
o
Was die Milchstraße ist.
o
o
o
o
Was Asteroiden, Kometen oder Meteorite sind.
o
o
o
o
Wie groß das Universum ist.
o
o
o
o
Wie Astronauten in einem Raumschiff leben
(Essen, Toilette, Warum schweben sie?).
Wie ein Raumschiff funktioniert.
o
o
o
o
o
o
o
o
Wer der erste Mann am Mond war.
o
o
o
o
Warum (künstliche) Satelliten nicht vom Himmel fallen.
o
o
o
o
RAUMFAHRT
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
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______________________________________, darüber weiß ich_______________
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______________________________________, darüber weiß ich_______________
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______________________________________, darüber weiß ich_______________
Vielen Dank für deine Mitarbeit!
Abbildung 1: Fragebogen
Seite 26 von 120
5.1. Methode
Um das Schüler- und Schülerinneninteresse und das Vorwissen zur Astronomie zu erheben,
wurde als Forschungsinstrument ein quantitativer Fragebogen (siehe Seite 25, 26) erstellt. Mit
Hilfe der schriftlichen Befragung konnte kostengünstig eine große Datenmenge in kurzer Zeit
gesammelt werden. Die Konstruktion eines Fragebogens basiert auf der Präzisierung der Forschungsfragen, was bei dieser Arbeit zwei Fragen aufwirft: Welche Themen interessieren die
Schüler und Schülerinnen? Welches Vorwissen ist bei den Schülern und Schülerinnen gegeben? Als Antwortmöglichkeiten wurde beim Interesse eine vierstufige Ratingskala mit verbaler Skalenbezeichnung gewählt. Der Vorteil einer vierstufigen Ratingskala ist, dass die Befragten eine Tendenz angeben müssen, hingegen kann von Unentschlossenen bei einer fünfstufigen Ratingskala die neutrale Mitte angekreuzt werden. Beim Vorwissen wurde eine fünfstellige Ratingskala mit numerischer Skalenbezeichnung angegeben, die in diesem Fall dem
österreichischen Schulnotensystem entspricht.20
Es wurden 139 Schüler und Schülerinnen der 2. und 4. Klassen der EHS II Mistelbach
(81 Kinder) und der IBHS Poysdorf (58 Kinder) befragt. In Mistelbach konnten in den
2. Klassen insgesamt 40 Kinder (15 Buben und 25 Mädchen) und in den 4. Klassen insgesamt
41 Schüler und Schülerinnen (18 Buben und 23 Mädchen) befragt werden. In Poysdorf wurden in den 2. Klassen insgesamt 30 Kinder (23 Buben und 7 Mädchen) und in den 4. Klassen
insgesamt 28 Schüler und Schülerinnen (14 Buben und 14 Mädchen) befragt.
Die Befragung fand am Anfang des Schuljahres 2012/2013 in den ersten beiden Unterrichtsstunden statt. Je nach Schulstufe dauerte die Befragung zwischen 20 und 35 Minuten. Die
Schüler und Schülerinnen sowie ihre Eltern wurden vorab informiert, dass an diesem Tag eine
Befragung stattfindet. Die Eltern wurden durch einen Brief um Einverständnis der Teilnahme
ihrer Kinder an dieser Befragung gebeten. Insgesamt nahmen 9 Schüler und Schülerinnen
nicht an der Umfrage teil. Diese wollten an der Befragung nicht teilnehmen oder ihre Mitwirkung wurde von den Eltern nicht genehmigt. Die Kinder, die nicht an der Befragung teilnahmen, saßen während der Befragung in einem separaten Klassenzimmer bzw. wurden von den
Lehrern und Lehrerinnen in der Zwischenzeit still beschäftigt.
20
vgl. RAAB-STEINER, BENESCH (2008): S. 44 ff
Seite 27 von 120
Um einen Vergleich zwischen den Faktoren Standort, Geschlecht und Alter machen zu können, wurden die Daten in einer Excel-Tabelle mit Hilfe eines Codeplanes21 zusammengefasst.
Bei den Interessensfragen bedeutet dieser Codeplan, dass ein sehr starkes Interesse einen Wert
von 3, starkes Interesse einen Wert von 2, geringes Interesse einen Wert von 1 und gar kein
Interesse einen Wert von 0 zugeordnet bekamen. Dementsprechend wurde der Mittelwert der
Interessens-Kennzahlen für alle Schüler und Schülerinnen, Standorte und Altersgruppen gebildet. Ein Mittelwert von 3 bedeutet somit, dass das Interesse sehr stark ist. Bei einem Mittelwert von 2 ist das Interesse der Schüler und Schülerinnen stark. Ein geringes Interesse zeigt
ein Mittelwert von 1. Beträgt der Mittelwert 0, so interessiert es die Schüler und Schülerinnen
gar nicht.
Der Fragebogen erhob außerdem das Vorwissen der Schüler und Schülerinnen. Hier sollten
sich die Kinder selbst nach dem Schulnotensystem benoten. Der Mittelwert der VorwissensKennzahl wurde so berechnet, dass er dem österreichischen Schulnotensystem entspricht. Ein
Mittelwert von 5 gibt demnach ein nichtgenügendes Vorwissen an, ein Mittelwert von 4 ein
genügendes Vorwissen und ein Mittelwert von 3 ein befriedigendes Vorwissen. Ein gutes
Vorwissen zeigt den Mittelwert 2 und ein sehr gutes Vorwissen einen Mittelwert von 1.
Die meisten Kinder wurden in den Schulen noch nicht mit astronomischen Themen konfrontiert. Um mögliche Schamgefühle zu vermeiden, die dazu führen würden, dass sich die Schüler und Schülerinnen bei einem größeren Vorwissen einstufen als sie tatsächlich haben, erklärte ich den Kindern vorweg, dass sie bei dieser Befragung nicht getestet werden und auch
keine Note oder Konsequenz zu erwarten haben. Die Schüler und Schülerinnen wurden außerdem darauf hingewiesen, dass die Befragung anonym ist.
5.2. Ergebnisse
Die nachstehende Auswertung fokussiert auf die bereits erwähnten sechs Teilgebiete, welche
in der folgenden Tabelle blau gefärbt sind. Die Analyse vergleicht das Interesse und Vorwissen der Befragten nach Alter und Geschlecht. Die Tabelle soll eine Übersicht über alle Fragen
geben. Jene Interessens-Felder, deren Mittelwert über 2 liegt, wurden grün eingefärbt. Diese
21
vgl. SCHULLER (2007): S. 18
Seite 28 von 120
Felder zeigen ein starkes bis sehr starkes Interesse. Violett sind die Felder, deren Mittelwert
über 1,5 liegt und somit eine Tendenz zum starken Interesse zeigen.
2. Klasse
Frage
4. Klasse
Interesse
Wissen
Interesse
Wissen
Die Astronomie generell.
1,81
3,58
1,38
3,65
ASTRONOMIE IM ALLGEMEINEN
Wie ich mich am Sternenhimmel orientieren kann.
1,60
3,97
1,21
3,94
Wie ein Teleskop funktioniert.
1,82
3,49
1,44
3,34
Was ich sehe, wenn ich durch ein Teleskop schaue.
2,29
3,10
1,85
2,99
Was ein Lichtjahr ist.
1,54
4,05
1,29
3,20
UNSERE ERDE
Warum es die Erde heute überhaupt gibt (Urknall).
2,37
3,14
1,97
3,00
Warum sich unsere Erde dreht.
1,97
3,19
1,68
3,26
Warum es Tag und Nacht gibt.
2,05
2,40
1,61
2,64
Warum es Sommer und Winter gibt.
1,93
2,75
1,53
3,01
Wer den Kalender erfunden hat.
1,26
4,04
1,24
3,14
Wie die Farben von Himmel und Meer entstehen (Blau, Türkis, Abendrot, Regenbogen).
2,11
4,01
1,74
4,06
GALAXIEN
Warum der Mond nicht auf die Erde fällt.
2,03
3,76
1,47
3,35
Ob ich auch am Mond Sterne sehen kann.
1,79
3,65
1,46
3,62
Was bei einer Mondfinsternis passiert.
2,39
3,14
2,02
2,98
Wie unsere Sonne funktioniert.
2,14
3,80
1,54
3,56
Was bei einer Sonnenfinsternis passiert.
2,16
3,24
1,89
3,01
Warum die Sterne nicht vom Himmel fallen.
1,73
3,64
1,46
3,68
Woher die Sternschnuppen kommen und wohin sie fallen.
Warum die Sterne für uns funkeln.
2,34
3,80
1,89
3,68
1,93
3,96
1,54
3,63
Wie das Leben eines Sterns aussieht (weißer Zwerg, roter
Riese, schwarzes Loch, …).
Welche Planeten es gibt und wie es auf ihnen aussieht.
Was eine Galaxie ist.
1,84
4,22
1,53
4,27
2,22
3,42
1,73
3,40
2,13
3,40
1,31
3,34
Seite 29 von 120
2. Klasse
Frage
4. Klasse
Interesse
Wissen
Interesse
Wissen
Welche Galaxien es gibt.
2,00
4,04
1,37
4,07
Was die Milchstraße ist.
1,87
3,38
1,73
2,68
Was Asteroiden, Kometen oder Meteorite sind.
2,11
3,47
1,55
3,24
Wie groß das Universum ist.
2,21
3,77
1,77
3,24
RAUMFAHRT
Wie Astronauten in einem Raumschiff leben (Essen, Toilette,
Warum schweben sie?).
Wie ein Raumschiff funktioniert.
2,28
3,18
1,81
3,12
1,98
3,82
1,50
3,84
Wer der erste Mann am Mond war.
1,89
3,05
1,63
2,14
Warum (künstliche) Satelliten nicht vom Himmel fallen.
1,90
3,89
1,39
3,65
Tabelle 2: Gesamt-Auswertung des Fragebogens
In der zweiten Klasse ist zu bemerken, dass lediglich ein Interessens-Feld nicht eingefärbt ist,
nämlich die Frage nach der Erfindung des Kalenders. Das deutet auf ein sehr großes Interesse
bei den Kindern. In der vierten Klasse geht das Interesse allgemein stark zurück. Es gibt kein
Feld bei dem der Mittelwert des Interesses über 2 ist. Es ist auch zu erwähnen, dass die Schüler und Schülerinnen ihr Vorwissen in der 2. Klasse bei 9 von 30 Fragen höher einschätzen als
jene der höheren Schulstufe. Diese Felder wurden fett geschrieben. Das Interesse der Schüler
und Schülerinnen an der Funktionsweise eines Teleskops zeigt folgende Darstellung:
Interesse: Funktionsweise Teleskop
3,00
2,50
2,00
M
1,50
B
1,00
0,50
0,00
Abbildung 2: Schüler-/Schülerinneninteresse an der Funktionsweise eines Teleskops
Wie ein Teleskop funktioniert, also welche Technik dahinter steckt, findet eher bei den Buben
Anklang. Auch schätzen die Buben ihre Vorkenntnisse in diesem Bereich besser ein als die
Mädchen. Liegt das Interesse der Schüler und Schülerinnen in der zweiten Klasse noch bei
Seite 30 von 120
1,82, so geht es in der 4. Klasse auf 1,44 zurück. Das Interesse fällt zwar in der 4. Klasse ab,
es liegt aber immer noch zwischen gering und stark. Beim Wissen scheinen sich die Schüler
und Schülerinnen in beiden Schulstufen ähnlich einzuschätzen (2. Klasse: 3,49; 4. Klasse:
3,34).
Die Fragen nach der Entstehung von Tag & Nacht bzw. Sommer & Winter lassen das gleiche
Phänomen erkennen: das Interesse der Buben und Mädchen nimmt mit dem Alter in etwa
gleich ab:
Interesse: Tag & Nacht
Interesse: Sommer & Winter
3,00
3,00
M2
2,00
M4
B2
1,00
M2
2,00
M4
B2
1,00
B4
0,00
B4
0,00
Abbildung 3: Schüler-/Schülerinneninteresse zu Entstehung von Tag & Nacht und Sommer & Winter
Auch die Frage nach der Entstehung der Himmelsfarben findet bei den Mädchen und Buben
großen Anklang. Ebenso hier ist zu erkennen, dass das Interesse in der höheren Schulstufe
zurückgeht. Auffallend ist, dass die Schüler und Schülerinnen hier ein geringes Vorwissen
angeben, wobei sich die Mädchen schlechter einschätzen als die Buben.
Wissen: Himmelsfarben
5,00
4,00
3,00
M
2,00
B
1,00
0,00
Abbildung 4: Vorwissen der Schüler-/Schülerinnen über die Entstehung der Himmelsfarben
Das Interesse nach der Entstehung von Mond- bzw. Sonnenfinsternis ist bei den Schülern und
Schülerinnen sehr groß. Obwohl auch hier das Interesse mit dem Alter abnimmt, ist die Wissbegierde in der 4. Schulstufe dennoch stark. Das Interesse nach der Entstehung der MondfinsSeite 31 von 120
ternis fällt von einem Mittelwert 2,39 auf 2,02 und liegt somit immer noch bei stark. Das Interesse an der Sonnenfinsternis fällt von 2,16 auf 1,89 und zeigt somit ein Interesse zwischen
gering und stark, mit einer bedeutenden Tendenz zu stark.
Zu den Planeten unseres Sonnensystems zeigen die befragten Buben und Mädchen ein etwa
gleich starkes Interesse. Auch dieses fällt zwar mit dem Alter, es liegt in der 4. Schulstufe
allerdings immer noch bei 1,73.
Interesse: Planeten
3,00
2,50
2,00
M
1,50
B
1,00
0,50
0,00
Abbildung 5: Schüler-/Schülerinneninteresse zu den Planeten unseres Sonnensystems
Die Raumfahrt findet in beiden Schulstufen Anklang. Lediglich die Frage nach der Funktionsweise eines Raumschiffes interessiert die Mädchen eher wenig, die Buben finden diese am
spannendsten. Wie Astronauten im Weltall leben, interessiert beide Geschlechter in diesem
Themenblock am meisten. In beiden Schulstufen stößt dieses Thema auf größtes Interesse.
Interesse: Raumfahrt
3,00
2,50
2,00
1,50
1,00
0,50
0,00
M
B
Wie
Wie ein
Astronauten in Raumschiff
einem
funktioniert.
Raumschiff
leben.
Wer der erste
Warum
Mann am
Satelliten nicht
Mond war.
vom Himmel
fallen.
Abb1: Das Schüler-/Schülerinneninteresse zur Raumfahrt
Seite 32 von 120
6.
Unterrichtsvorbereitung
Aufgabe der Sachanalyse ist es, über die Struktur des Themas Aufschluss zu gewinnen. Sie
soll das benötigte Fachwissen der Unterrichtsstunde exakt darstellen. Die Sachanalyse orientiert sich dabei nicht an den Schülern und Schülerinnen, sondern an der Zielgruppe des Textes, den Lehrkräften, die die Sachanalyse für die Unterrichtsvorbereitung benötigen.22
6.1. Die Funktionsweise eines Teleskops
Um 1600 waren die Niederländer Vorreiter im Bau von Linsenfernrohren. Schnell erkannten
Wissenschaftler die Bedeutung für die Astronomie. Galileo Galilei baute 1609 ein niederländisches Fernrohr nach und erkundete damit den Himmel. Das Fernrohr besteht aus einer Objektiv- und einer Okularlinse. Diese Linsen sind an den beiden Enden des Fernrohres als Linsensystem angebracht, wobei die Objektivlinse, die Linse mit dem größeren Brennpunkt ist
und dem zu beobachtenden Objekt zugewandt ist. Die Objektivlinse erzeugt ein auf dem Kopf
stehendes Zwischenbild, das durch die Okularlinse, die wie eine Lupe funktioniert, vergrößert
und wieder aufrecht gestellt wird. Das Beobachtungsfeld bei diesen Fernrohren ist relativ
klein, so kann nur etwa ein Viertel der Mondscheibe beobachtet werden.23
Ebenso Johannes Kepler beschäftigte sich mit der neuen Technik und entwickelte das Keplersche Teleskop (oder astronomische Fernrohr). Bei diesem Fernrohr addieren sich die Brennweiten der Linsen. Das führt zu dem Nachteil, dass die beobachteten Objekte seitenverkehrt
sind und auf dem Kopf stehen, was allerdings für Himmelsbeobachtungen nicht sehr bedeutsam ist. Ein großer Vorteil des Keplerschen Teleskops ist das größere Beobachtungsfeld und
eine höhere Bildhelligkeit.24
Alle bis dahin gebauten Linsenfernrohre verursachten einen farbigen Kreis um das beobachtete Objekt, was durch die unterschiedliche Brechung des Lichts verursacht wurde.1762 ersetzte
Sir Isaac Newton die Objektivlinse durch einen Hohlspiegel, bei dem sich das verschiedenfarbige Licht im gleichen Winkel bricht. Dieses Lichtbündel wird nun durch einen Hilfsspie-
22
vgl. SCHULZ (o.J.): S. 2
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 26; URBACH (o.J.c); LEIFI (o.J.b)
24
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 26; URBACH (o.J.b); LEIFI (o.J.b)
23
Seite 33 von 120
gel zum Okular geleitet, der das Bild wieder vergrößert. Damit erfand Newton das Spiegelteleskop, das besonders für die astronomische Beobachtung von Bedeutung ist.25
Da Linsenfernrohre ziemlich lang sind, wurde als Alternative das Prismenfernglas entwickelt.
Im ersten Prisma werden die Strahlen zweimal im rechten Winkel reflektiert. Das am Kopf
stehende Bild wird nun in einem zweiten Prisma wieder zweimal in einem rechten Winkel
reflektiert, wodurch das Bild seitenverkehrt ist. Durch das Okular wird das Bild vom Beobachter aufrecht und vergrößert gesehen.26
Durch die atmosphärische Verzerrung funkeln nicht nur die Sterne nachts für einen irdischen
Beobachter, die Umschichtung der Luft führt auch bei astronomischen Beobachtungen zu
verzerrten Bildern der Himmelskörper. Deshalb ist seit 1990 das Hubble-Weltraumteleskop
im Einsatz. Außerhalb der störenden Erdatmosphäre sendet das Weltraumteleskop beeindruckende Bilder vom Universum an die Erdstation. Das Hubble-Teleskop hat einen Hauptspiegel mit 2,4 m Durchmesser. Dieser gewährleistet, dass das Teleskop sehr viel Licht einfängt
und somit klarere Bilder auswirft.27 Sein Nachfolger, das Herschel Space Observatory, welches im Mai 2009 in Betrieb genommen wurde, umkreist derzeit die Sonne. Dieses Teleskop
hat bereits einen Spiegel mit einem Durchmesser von 3,5 m.28 Im Jahr 2018 soll das James
Webb Space Telescope starten, das einen Spiegel mit einem Durchmesser von 6,5 m haben
wird.29
In der Atakamawüste in Chile steht das weltgrößte Radioteleskop. Ein solches Teleskop empfängt Radiowellen, die dann von einem Computer ausgewertet werden. Das Radioteleskop in
Chile besteht aus 27 Parabolantennen, die je einen Durchmesser von 25 Metern haben und
Wellenlängen im Millimeter- und Submillimeterbereich auffangen. Die Errichtung der Anlage
in Chile dauerte über ein Jahrzehnt. Es sind Länder der ganzen Welt daran beteiligt. Erste
Aufnahmen lieferten im Jahr 2011 Bilder einer Kollision von zwei Galaxien, die etwa 70 Millionen Lichtjahre entfernt sind.30
25
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 26; URBACH (o.J.d); LEIFI (o.J.b)
vgl. URBACH (o.J.e)
27
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 30; HUBBLE SITE (o.J.a)
28
vgl. BBC (2013)
29
vgl. NASA (2011)
30
vgl. DITZ (2011); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 31
26
Seite 34 von 120
6.2. Die Entstehung von Tag und Nacht, Sommer und Winter
Durch die Eigenrotation der Erde entstehen Tag und Nacht. Tag ist an der von der Sonne beleuchteten Seite. An der Schattenseite herrscht Nacht. Aber auch die Jahreszeiten bestimmen
unser Leben auf der Erde. Sie unterteilen ein Jahr in Frühling (März bis Mai), Sommer (Juni
bis August), Herbst (September bis November) und Winter (Dezember bis Februar).Unsere
Jahreszeiten entstehen durch die Neigung der Erdachse, der Zeitdauer der Sonnenstrahlung
und dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlen. Dabei wird vor allem dem Einfallswinkel die
tragende Rolle zugesprochen. Der Höchststand der Sonne hängt von der geographischen Breite der Erde ab, auf der sich der Beobachter befindet. Das erklärt auch, warum die Jahreszeiten
auf der Südhalbkugel unseren entgegengesetzt sind. Ist bei uns Winter, ist auf der Südhalbkugel Sommer. Am extremsten lässt sich der Stand der Sonne auf den Polen der Erde beobachten. Scheint für Menschen am Nordpol ein halbes Jahr die Sonne durchgehend, sie haben Polartag, dann verläuft die Sonnenbahn oberhalb ihres Horizonts. Für Menschen am Südpol
hingegen verläuft die Sonne nun unterhalb ihres Horizonts. Bei ihnen herrscht Polarnacht.
Nach etwa einem halben Jahr wechselt der Polartag an den Südpol und die Polarnacht an den
Nordpol. In unseren Breitengraden hat die Sonne im Sommer eine hohe Mittagslage und beschert uns lange Tage und kurze Nächte. Durch die große Mittagshöhe ist der Einfallswinkel
des Lichts kleiner als im Winter, wenn die Sonne flach über den Horizont wandert. Somit
kann sich die Erde im Sommer stärker erwärmen. Daher entscheidet auch der Stand der Sonne
über den Beginn einer Jahreszeit. Beim Sommerbeginn am 21. oder 22. Juni z.B. hat die Sonne ihren höchsten Stand erreicht, was zum längsten Tag im Jahr führt. Wenn Tag und Nacht
gleich lang sind, was im September und März der Fall ist, beginnt unser Herbst bzw. Frühling. Am 21. oder 22. Dezember erreicht die Sonne ihren tiefsten Stand. An dem kürzesten
Tag des Jahres beginnt der Winter.31
6.3. Ein Überblick über das Planetensystem
Die Sonne steht im Zentrum des Planetensystems. Unser Planetensystem setzt sich aus unserer Sonne, acht Planeten und deren Monde zusammen. Zu den inneren Planeten zählen Merkur, Venus, Erde und Mars. Die inneren und äußeren Planeten sind durch einen Planetoidengürtel getrennt. Die Gasplaneten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun umkreisen die Sonne
außerhalb des Planetoidengürtels. Auch vereinzelte Planetoiden kreisen außerhalb dieses Gür-
31
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 38, 82 ff; URBACH (o.J.a)
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tels, gleich wie die Planeten, um die Sonne. Pluto, welcher der äußerste Planet war, wurde der
Planetenstatus von der International Astronomical Union im Jahr 2006 aberkannt.32
Die Sonne
33
Die Sonne, das Zentralgestirn unseres Sonnensystems, ist der uns am nächsten liegende Stern
und ist etwa 150 Millionen Kilometer von uns entfernt. Dieser Abstand zwischen Erde und
Sonne wird als Astronomische Einheit (AE) bezeichnet. Somit entspricht 1 AE etwa
150 Millionen Kilometer. Ein Sonnenstrahl, der mit etwa 300 000 km/s reist, braucht bei dieser Entfernung ca. acht Minuten, bis er uns erreicht hat. Eine weitere astronomische Entfernungsangabe ist das Lichtjahr. Ein Lichtjahr ist jene Strecke, welche das Licht in einem Jahr
zurücklegt34. Ein Lichtjahr entspricht 6,3243 ∗ 10 AE, was etwa 9,5 Billiarden m oder etwa
9,5 Billionen km sind. Das für uns weiße Sonnenlicht kann sich im Vakuum und in Stoffen
ausbreiten. Es setzt sich aus den sechs Spektralfarben Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett zusammen. Der weiße Sonnenstrahl kann durch ein Prisma in die einzelnen Farbspektren
aufgefächert werden, wobei das rote Licht die längste Wellenlänge und das violette Licht die
kürzeste Wellenlänge hat. Eine Naturerscheinung, die auf Brechung und Totalreflexion des
Lichts beruht ist der Regenbogen. Er entsteht an einem regnerischen Tag, wenn der Beobachter die Sonne im Rücken hat. Das Sonnenlicht wird durch die kugelförmigen Wassertropfen
gebrochen. Da der blaue Anteil des Lichts eine kleinere Wellenlänge hat, wird er stärker gebrochen als der rote Anteil. Deshalb ist der blaue Anteil des Lichts bei einem Regenbogen
immer innerhalb des Regenbogens. An das für uns sichtbare Licht grenzen die langwelligere
Infrarotstrahlung (häufig auch als Wärmestrahlung bezeichnet) und die kurzwelligere Ultraviolettstrahlung (der energiereichste Teil des Lichts) an. Die für den Menschen schädigende
UV-Strahlung wird von unserer Ozonschicht gefiltert. Je kürzer die Wellenlänge der UVStrahlen ist, desto gefährlicher sind sie für den Menschen. Bei den Himmelsfarben kommt es
ebenfalls auf die Streuung des Lichts an. Das weiße Sonnenlicht wird durch kleinste Schwebeteilchen, die in der Erdatmosphäre vorkommen (wie Wasser- oder Eistropfen, Gasmoleküle
oder Staub) gestreut. Das kurzwellige blaue Licht wird dabei stärker gebrochen als das langwellige rote Licht. Bei Sonnenunter- oder Sonnenaufgang ist der Weg des Sonnenlichts durch
die Atmosphäre länger, als wenn sie hoch am Himmel steht. Das blaue Licht wird nun noch
32
vgl. DEITERS (2009); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 92 ff; IAU – INTERNATIONAL ASTRONOMICAL UNION
(o.J.a)
33
das ist das astronomische Symbol der Sonne; Näheres finden Sie bei den Begriffsbestimmungen
34
HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 47
Seite 36 von 120
stärker gestreut und kommt weniger beim Beobachter an als die roten, orangen und gelben
Spektralfarben des Lichts. Durch Schwebeteilchen wird dieser Effekt verstärkt.35
Die Sonne ist rund hundert Mal so groß und dreihunderttausend Mal so schwer wie unser
Heimatplanet. Der Durchmesser der Sonne beträgt etwa 1 390 000 km. Sie hat einen Umfang
von etwa 4 400 000 km. Die Sonne besteht aus 70 % Wasserstoff, 28 % Helium und 2 % Metallen. Die Temperatur im Kern beträgt etwa 15 Millionen Kelvin und an der Oberfläche
5 800 Kelvin (0 Kelvin entsprechen dem Absoluten Nullpunkt, d.h. -273,15 °C). Pro Sekunde
werden im Zentrum der Sonne durch Kernfusion 300 Millionen Tonnen Wasserstoff in Helium umgewandelt. Etwa 20 % des Wasserstoffvorrates der Sonne sind bisher verbraucht. Mit
den restlichen 80 % kann die Sonne noch Milliarden von Jahren Wasserstoff in Helium umwandeln. Das Alter der Sonne und Planeten unseres Sonnensystems wird auf etwa 4,5 Milliarden Jahre geschätzt. Die Sonne, und damit unser gesamtes Planetensystem, weist eine Eigenbewegung von ca. 20 km/s Richtung Sternbild Herkules auf.36
Bis ins 16. Jahrhundert glaubten die Menschen an ein geozentrisches Weltbild, also dass die
Erde der Mittelpunkt unseres Sonnensystems sei. 1543 erschien das Hauptwerk von Nikolaus
Kopernikus „De Revolutionibus Orbium Coelestium“, was übersetzt in etwa „Über die Umschwünge der himmlischen Kreise“ heißt, erstmals in Nürnberg. Hier beschreibt Kopernikus
ein heliozentrisches Weltbild, in dem die Sonne der absolute Mittelpunkt ist. Kopernikus erklärte die Planetenbahnen noch in Kreisbahnen. Der heutige Stand der Wissenschaft beschreibt elliptische Planetenbahnen, in welchen die Sonne in einem Ellipsenbrennpunkt steht.
Ansonsten wäre nicht erklärlich, warum Frühling/Sommer länger sind als Herbst/Winter (wie
eine simple Zählung der Tage mit einem Kalender ergibt). Die Sonne wird als Ursprung des
Sonnensystems und auch als Ursprung allen Lebens auf der Erde gesehen. Das heliozentrische Weltbild hat sich aber erst im Laufe der nächsten hundert Jahre durchgesetzt.37
35
vgl. PURUCKER (2007); WESTRAM (2012); EUROPEAN SPACE AGENCY (o.J.a); HARTMANN (2006): S. 28;
HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 37; HOCHE, KÜBLBECK, MEYER, REICHWALD, SCHMIDT, SCHWARZ (2007): S.
314, 322, 351; EMRICH (2012a); EMRICH (2012b); WIECHOCZEK (2007a); BOJAHR, RATHJE (2006)
36
vgl. PURUCKER (2007); WESTRAM (2012); EUROPEAN SPACE AGENCY (o.J.a); HOCHE, KÜBLBECK et. al
(2007): S. 151; HARTMANN (2006): S. 28; LAUTENSCHLÄGER, SCHRÖTER, WANNINGER (2007): S. 405
37
vgl. CARRIER (2001): S. 83; WINKELBAUER (o.J.b); NINE PLANETS (o.J.a); WIKIPEDIA (2012b); WIKIPEDIA
(2012d); LEIFI (o.J.a)
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Planet Merkur
Der kleinste der Planeten unseres Sonnensystems ist der Sonne am nächsten. Der Name Merkur stammt aus der römischen Mythologie, in welcher Merkur der Gott des Handels, der Diebe und der Reisenden ist. Wahrscheinlich bekam der Planet den Namen, da er sich so schnell
über den Himmel bewegt. Der Planet trug aber nicht immer diesen Namen. Die Griechen zum
Beispiel, nannten ihn Morgen- (Apollo) und Abendstern (Hermes). Wobei die griechischen
Astronomen durchaus wussten, dass es sich um denselben Himmelskörper handelt.38
Der Abstand von Merkur zur Sonne beträgt maximal 70 Millionen Kilometer und mindestens
46 Millionen Kilometer. Die Temperaturschwankungen auf Merkur sind die extremsten des
ganzen Sonnensystems von etwa -180 °C bis +430 °C. Der Planet Merkur umrundet die Sonne in etwa 88 Erdentagen. Da sich Merkur im gleichen Drehsinn und sehr langsam um seine
Achse und um die Sonne dreht, ergibt sich die Dauer eines Merkurtages von etwa 179 Erdentagen. Merkur ist nach der Erde der dichteste größere Körper in unserem Sonnensystem, mit
einem größeren Eisenkern, als der der Erde. Der Planet Merkur besitzt eine sehr dünne, unstabile Atmosphäre. Das Magnetfeld von Merkur beträgt etwa 1 % dessen der Erde. Der kleine Planet ist häufig mit einem Feldstecher oder sogar mit freiem Auge, kurz vor Sonnenaufgang oder kurz nach Sonnenuntergang, sichtbar.39
Die Oberfläche von Merkur ist einerseits teilweise von tiefen Kratern durchzogen und andererseits durch sehr glatte Ebenen gekennzeichnet. Eines der markantesten Oberflächenmerkmale ist das Caloris-Becken, das einen Durchmesser von etwa 1 300 Kilometern hat. Diese
unterschiedlichen Oberflächenformen können durch frühere Einschläge und/oder vulkanische
Aktivitäten geformt worden sein. Eine neuere Analyse weist jedenfalls auf kürzlich aktiven
Vulkanismus auf Merkur hin.40
38
vgl. ARNETT (2011a); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 100 ff
vgl. HARTMANN (2006): S. 28; ARNETT, (2011a); DEITERS (2003a); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 100 ff
40
vgl. ARNETT, (2011a); HERRMANN, SCHWARZ (2001), S. 100 ff
39
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Planet Venus
Venus ist der Sonne am zweitnächsten. Sie hat die kreisförmigste Planetenbahn von allen
Planten in unserem Sonnensystem. Der Name Venus stammt aus der griechischen Mythologie, in der sie als Göttin der Liebe und Schönheit gilt. Es wird angenommen, dass der Planet
den Namen erhielt, weil er der hellste, im Altertum bekannte, Planet war. Wie Merkur war
auch Venus unter zwei Namen, nämlich auch als Morgen- (Eosphorus) und Abendstern
(Hesperus), bekannt.41
Sehr markant ist die Rotation der Venus, welche zum einen sehr langsam und zum anderen
gegenläufig ist, d.h. sie rotiert im Uhrzeigersinn. Alle anderen Planeten rotieren gegen den
Uhrzeigersinn. Ein Venustag dauert (durch die langsame Rotation) 243 Erdentage, was geringfügig länger als ein Venusjahr ist. Abgesehen davon wird die Venus oft als Schwesternplanet der Erde bezeichnet, weil sie sich in vielen Hinsichten sehr ähnlich sind. Die Planeten
sind fast gleich groß und schwer – der Planet Venus hat 95 % des Erddurchmessers und 80 %
der Erdmasse. Auch sind die Dichte und die chemische Zusammensetzung der Planeten ähnlich. Im Inneren der Venus wird ein Eisenkern von etwa 6 000 km Durchmesser vermutet. Im
Unterschied zur Erde besitzt die Venus aber kein Magnetfeld, was auf die langsame Rotation
zurückgeführt werden kann. Radikale Unterschiede machen die Venus aber zum lebensfeindlichsten Ort in unserem Sonnensystem: Die Venusatmosphäre besteht hauptsächlich aus Kohlendioxid und ist von außen gänzlich undurchsichtig. Das kommt von einer ständig geschlossenen Wolkendecke, deren Hauptbestandteil Schwefelsäuredampf ist. Der Druck der Atmosphäre beträgt etwa neunzig Erdatmosphären. Obwohl die Venus doppelt so weit von der
Sonne entfernt ist wie Merkur, ist ihre Oberflächentemperatur durch die dicke, giftige Atmosphäre noch heißer. In der dichten Atmosphäre zerbrechen Meteoriden und verursachen ein
Bündel an Kratern. Sie bewirkt auch einen unkontrollierten Treibhauseffekt, welcher die
Temperatur der Oberfläche auf bis zu 740 K (das entspricht 466,85°C) aufheizt. Es wird angenommen, dass auch auf der Venus Wasser vorhanden war, welches aber auf Grund der hohen Temperaturen verdunstet ist.42
41
vgl. ARNETT (2011b); ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA (2012b) ; HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 102 ff
vgl. ARNETT (2011b); ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA (2012b); HARVEY (2012); WINKELBAUER (o.J.c); NINE
PLANETS (o.J.b); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 102 ff
42
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Planet Erde
oder
Unser Heimatplanet trug in früheren Jahren den Namen Gaia, was übersetzt die Muttergöttin
heißt. Auch dieser Name ist jener einer antiken Gottheit. In unserem Sonnensystem ist die
Erde der dritte Planet und der einzige, auf dem es nachweislich Leben gibt. Unser Heimatplanet hat einen sehr massiven metallischen Kern, was ihn zum dichtesten Körper in unserem
Sonnensystem macht. Im Verhältnis zur Masse hat die Erde den zweitgrößten Mond (der im
Verhältnis zu seinem Planeten größte Mond in unserem Sonnensystem ist Charon, der beinahe halb so groß wie Pluto ist43). Die Erde weist auch das stärkste Magnetfeld von allen Gesteinsplaneten auf. Sie hat einen Durchmesser von 12 756 Kilometer, einen Umfang von
40 075 km und eine Oberfläche von 510 072 000 km². Die Oberfläche ist zu 70 % mit Wasser
bedeckt. Die Erde ist der einzige uns bekannte Planet, auf dem es flüssiges Wasser gibt. Neben Wasser bietet unsere Erde noch Landmasse und Luft. Die Luft (Atmosphäre) setzt sich
aus 78,08 % Stickstoff, 20,95 % Sauerstoff und 0,93 % Argon sowie 0,04 % anderer Stoffe
(wie Wasserdampf) zusammen. Die Erdatmosphäre wird in Zonen, die Troposphäre, die Stratosphäre, die Mesosphäre und die Thermosphäre, unterteilt.44
Die Umlaufzeit um die Sonne beträgt 365 Tage, 6 Stunden und 15 Minuten (was einem Kalenderjahr entspricht), bei einer durchschnittlichen Entfernung (zur Sonne) von etwa
150 Millionen km. Die maximale Entfernung liegt bei etwa 152 Millionen km, die geringste
beträgt etwa 147 Millionen km. Sie umkreist die Sonne mit durchschnittlich 30 km/s. Auf
unserem Planeten kann es unterschiedlichste Temperaturen haben. Die Bandbreite reicht je
nach Region von -89,6 °C bis +59 °C.45
Die Vermessung der Erde
Eratosthenes von Kyrene (er lebte vermutlich in der Zeit von 284 bis 202 vor Christus) glaubte bereits an eine kugelförmige Erde. Er ist der Erfinder der Gradmessungs-Methode:
Eratosthenes erkannte, dass in Syene (heute Assuan) die Sonne zu einem bestimmten Zeitpunkt am Zenit steht und somit keinen Schatten wirft. Er vermutete, dass die Sonne zu diesem
Zeitpunkt senkrecht von oben herab scheinen musste. Im etwa 800 Kilometer entfernten Ale43
vgl. SULEHRIA (o.J.)
vgl. MELLERT, GRAHL, RECHTIEN, WEUSTING, POPPINGA, POPPINGA (o.J.); ARNETT (2011c); WINKELBAUER
(o.J.a); DEITERS (2008); HARTMANN (2006): S. 27
45
vgl. MELLERT, et al. (o.J.); ARNETT (2011c); WINKELBAUER (o.J.a)
44
Seite 40 von 120
xandria hingegen, warf die Sonne einen Schatten. Eratosthenes ging davon aus, dass die Sonnenstrahlen parallel verlaufen und die Erde somit kugelförmig sein musste. Mit diesem Phänomen maß er nun den Erdumfang: Es wird angenommen, dass er in Alexandria mit Hilfe
eines Stabes oder einer halbkugelförmigen Schale mit einem senkrechten Stab in der Mitte
den Einfallswinkel der Sonne maß. Eratosthenes fand heraus, dass dieser Winkel ein Fünfzigstel (im heutigen 360° Winkelsystem entspricht das 7,2°) eines Kreisumfangs war und berechnete so den Erdumfang mit 250 000 Stadien. Da die Länge eines Stadions zwischen
150 m und 200 m beträgt, entspricht seine Berechnung einem Erdumfang zwischen
37 500 km bis 50 000 km.46
Unser Mond
Unser einziger natürlicher Satellit ist der Mond, der etwa 400 000 km entfernt ist. Er ist neben
der Sonne das zweithellste Himmelsobjekt, das den Planeten Erde in 29,5 Tagen einmal von
Westen nach Osten in Form einer gebundenen Rotation (d.h. der Mond wendet der Erde immer dieselbe Seite zu) umkreist. Durch die schnellere Rotation der Erde scheint der Mond für
irdische Beobachter unseren Planeten an nur einem Tag zu umkreisen und geht dadurch im
Osten auf und im Westen unter. Der Mond ist (nach der Erde) der einzige Himmelskörper, der
von Menschen betreten wurde. Der erste Mensch auf dem Mond war Neil Armstrong, der am
21. Juli 1969 bei einer Apollo-Mission den Mond mit den Worten „That’s one small step for a
man, one giant leap for mankind.”47 betrat. Oft wird das Fehlen der Sterne auf den Fotografien dieser Mission dafür gedeutet, dass diese Mondlandung in einem Filmstudio stattgefunden hätte. Diese Aussage kann jedoch leicht widerlegt werden, denn das liegt einzig an der
Belichtungszeit, mit der diese Aufnahmen gemacht wurden. Bereits zehn Jahre vor der Apollo-Mission schickte die Sowjetunion die Raumsonde Luna 2 auf den Mond.48
Da der Mond nicht selbst leuchtet, können wir ihn nur sehen, wenn er das Licht der Sonne
reflektiert. Bei Vollmond wird zum Beispiel die gesamte erdzugewandte Seite beleuchtet, bei
Neumond jedoch wendet uns der Mond jene Seite zu, die nicht beleuchtet wird.49
46
vgl. MANI (2010) , S. 6; FRIEDL (o.J.); UNIVERSAL-LEXIKON (2012); FRIEDL (o.J.); ENCYCLOPAEDIA BRITANNICA (2012a)
47
NASA (2009)
48
vgl. NINE PLANETS (o.J.c); ARNETT (2011d); HARTMANN (2006): S. 33; WIKIPEDIA (o.J.a); FREISTETTER
(2008)
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 126 ff
49
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Der Ursprung unseres Mondes ist bis heute nicht eindeutig geklärt. Einige Wissenschaftler
vertreten die Meinung, dass der Mond von der Erde eingefangen wurde, als er unserem Planeten zu nahe kam. Andere glauben (und das ist heute auch die vorherrschende Meinung), dass
der Mond bei einem Zusammenstoß der Erde mit einem anderen Planeten (genannt Theia)
entstanden ist. Große Massen wurden bei diesem Zusammenstoß in den Weltraum geschleudert und formten den Mond. Diese Theorie würde erklären, warum das Mondgestein dem unserer Erde ähnlich ist.50
Der Mond übt auf die Erde eine Anziehungskraft aus. Wir können dieses Phänomen bei den
Gezeiten beobachten. Unsere Erde ist kein starres Gebilde, so dass durch die Mondanziehungskraft vor allem das Wasser Ausbuchtungen zeigt, was uns als Flut und Ebbe bekannt
ist.51
Sonnen- bzw. Mondfinsternis
Tritt der Mond in den Erdschatten, so wird von einer Mondfinsternis gesprochen. Hier befindet sich die Erde zwischen Sonne und Mond. Geht der Mond durch den Kernschatten unserer
Erde, so wird von einer totalen Mondfinsternis gesprochen. Bei einer Durchwanderung des
Halbschattens wird dies als eine partielle Mondfinsternis bezeichnet. Wirft der Mond den
Schatten auf die Erde, also liegt der Mond zwischen Sonne und Erde, so wird von einer Sonnenfinsternis gesprochen. Wie bei der totalen und partiellen Mondfinsternis kann auch zwischen totaler und partieller Sonnenfinsternis unterschieden werden. Befindet sich der Mond
direkt vor der Sonne, so kann von der Erde aus ein kleiner Ring um den Mond beobachtet
werden. Bei diesem Naturschauspiel findet eine ringförmige Sonnenfinsternis statt.52
Planet Mars
oder
Mars ist der vierte Planet von der Sonne und hat einen Durchmesser von 6 794 Kilometer.
Seine Oberfläche entspricht in etwa den Landmassen der Erde. Seinen Name erhielt auch er
von einer antiken Gottheit, dem Gott des Krieges. Es wird angenommen, dass er diesen Na50
vgl. EUROPEAN SPACE AGENCY (o.J.b)
vgl. NINE PLANETS (o.J.c); ARNETT (2011d); WIKIPEDIA (o.J.a)
52
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 126 ff
51
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men wegen seiner roten Färbung erhielt. Der Name des Monats März wurde von Mars abgeleitet. Ein Marstag entspricht in etwa einem Erdentag. Ein Marsjahr (also eine Sonnenumrundung) dauert 687 Erdentage, also fast doppelt so lange wie ein Erdenjahr. 1965 besuchte die
erste Sonde, Mariner 4, den Mars. Im Laufe der Jahre wurden immer wieder Sonden, Fahrzeuge und Bodensonden zum Mars geschickt. Sie sendeten geologische Daten und Bilder auf
die Erde. Auf dem Mars herrschen Temperaturen zwischen 140 Kelvin (das sind etwa
-133 °C) und 300 Kelvin (etwa 27 °C). Seine geringe Dichte lässt darauf schließen, dass sein
Kern zusätzlich zum Eisen auch einen großen Anteil an Schwefel hat. Mars hat zwei kleine,
natürliche Satelliten, die ihn knapp über der Oberfläche umrunden. Deimos rotiert in einem
Abstand von etwa 23 000 km um seinen Planeten. Phobos umkreist Mars mit einer Entfernung von ca. 9 000 km. Er ist somit seinem Zentralgestirn näher als jeder andere Mond unseres Sonnensystems. Beide Monde sind sehr klein (Deimos hat einen Durchmesser von etwa
12 km und Phobos hat einen Durchmesser von etwa 20 km) und ähneln eher großen Asteroiden, weil sie auch nicht rund sind.53
Der Planetoidengürtel
Zwischen Mars und Jupiter befindet sich eine unzählbare Menge von Asteroiden. Ihre
Durchmesser liegen zwischen einigen Metern bis rund 2 000 Kilometern. Die Asteroiden bewegen sich nicht gleich schnell. Ihre Umlaufzeit liegt zwischen 3,2 und 5,8 Erdenjahren. Im
Jahr 2007 startete Dawn, eine NASA-Raumsonde, um Ceres, einen der größten Asteroiden
dieses Planetoidengürtels, zu erforschen. Die Raumsonde soll im Jahr 2015 Ceres erreichen.
Wissenschaftler hoffen auf Erkenntnisse über den Entstehungsprozess von planetenähnlichen
Himmelskörpern und Planeten.54
Planet Jupiter
Jupiters Name bedeutet der Meister oder König der Götter. In der römischen Mythologie
heißt er Zeus. Sein Name ist wahrscheinlich auf die enorme Größe des Planeten zurückzuführen. Jupiter besitzt bei einem Durchmesser von etwa 150 000 km, 318 Mal die Masse der Erde
und mehr als doppelt so viel Masse wie andere Planeten. Trotz seiner großen Entfernung
leuchtet Jupiter nachts wie ein heller Stern. Ein Jupiterjahr dauert fast 12 Erdenjahre, ein Jupi53
vgl. HARTMANN (2006): S. 27; ARNETT (2011e); NINE PLANETS (o.J.d); LEHRERWEB (o.J.); RAUMFAHRT
WÜRZBURG (o.J.a); ARNETT (2007); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 104 ff
54
vgl. HARTMANN (2006): S. 35 ff; KUNTZ (2012)
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tertag hingegen weniger als 10 Stunden. Durch die schnelle Eigenrotation ist der Planet an
den Polen stark abgeplattet. Wie jeder Gasplanet hat auch Jupiter ein Ringsystem, das wahrscheinlich aus Felsbrocken besteht. Eine Besonderheit des Planeten ist, dass er durch seine
innere Hitzequelle mehr Energie abstrahlt, als er von der Sonne empfängt.55
Im Jahr 1610 entdeckte Galileo Galilei vier von mindestens 18 Monden: Io, Europa, Ganymed und Kallisto. Heute sind diese vier Monde als Galileische Monde bekannt. Galileos Entdeckung stützte Kopernikus Theorie über ein heliozentrisches Weltbild. Es war die erste Entdeckung, bei der eine Bewegung von Himmelskörper gezeigt werden konnte, deren Mittelpunkt nicht die Erde war.56
1973 wurde zum ersten Mal eine Sonde zum Jupiter gesandt, die den Planeten acht Jahre lang
umkreiste. Jupiter ist ein Gasplanet, der keine feste Oberfläche hat. Er besteht nach der Anzahl der Atome zu 90 % aus Wasserstoff und zu 10 % aus Helium mit geringen Anteilen von
Wasser, Methan und Ammoniak. Nach der Masse besteht Jupiter zu 75 % aus Wasserstoff
und zu 25 % aus Helium. Über das Innere können Wissenschaftler noch nicht viel sagen, es
wird davon ausgegangen, dass Jupiter einen Kern aus felsigem Material hat. Dieser Kern
könnte etwa 10 bis 15 Erdmassen haben. Die Sonden brachten auch Erkenntnisse über die
Monde des Jupiter: Io ist mit Lava bedeckt. Er zeigt die aktivsten vulkanischen Aktivitäten im
Sonnensystem. Europa hat eine völlig glatte, eisige Oberfläche. Kallistos Oberfläche hingegen ist von Kratern übersät. Ganymed ist der größte Mond unseres Sonnensystems. Er hat
einen größeren Durchmesser als Merkur.57
Planet Saturn
Saturns (oder Chronos, wie er einst genannt wurde) Name stammt aus der Mythologie. Saturn
ist in der römischen Mythologie der Gott des Ackerbaus. In der griechischen Mythologie ist
Chronos der Sohn von Uranos und Gaia und Vater von Zeus. Saturn ist der sechste Planet von
der Sonne aus und der zweitgrößte Planet in unserem Sonnensystem mit einem Durchmesser
55
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 106 ff; HARTMANN (2006): S. 36; ARNETT (2012); NINE PLANETS
(o.J.e); NINE PLANETS (o.J.h)
56
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 106 ff; HARTMANN (2006): S. 36; ARNETT (2012); NINE PLANETS
(o.J.e)
57
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001), S. 106 ff; HARTMANN (2006): S. 36; ARNETT (2012); NINE PLANETS
(o.J.e)
Seite 44 von 120
von etwa 120 000 Kilometer. 1979 besuchte die erste Sonde den Planeten. Saturn ist dem Planeten Jupiter sehr ähnlich: So hat auch Saturn eine hohe Eigenrotation, wodurch der Planet an
den Polen stark abgeflacht ist. Er besitzt eine ähnliche Zusammensetzung wie Jupiter aus etwa
75 % Wasserstoff und 25 % Helium, mit geringen Anteilen von Wasser, Methan und Ammoniak. Es wird auch angenommen, dass das Innere der beiden Planeten ähnlich ist. Wie Jupiter
ist Saturn im Kern sehr heiß und strahlt mehr Energie ab, als er von der Sonne empfängt. Er
ist der Planet mit der geringsten Dichte. Der Planet Saturn ist von einem Ringsystem, das aus
kleinen Wassereispartikeln besteht, umgeben. Die Größe dieser Partikel schwankt zwischen
wenigen Zentimetern bis etwa zehn Metern. Der Ursprung dieser Ringe ist unbekannt. Saturn
kann nachts mit freiem Auge gesehen werden. Seine Ringe kann man mit einem Teleskop
erkennen.58
Planet Uranus
oder
Mit altem Namen hieß Uranus Ouranos, der Gott des Himmels. Diese Gottheit ist der Sohn
und Gatte der Gaie (Erde) und Vater von Saturn (Chronos). Uranus ist der siebte Planet von
der Sonne. Er wurde am 12. März 1781 von William Herschel entdeckt und als Planet klassifiziert. Der Planet wurde bereits in früheren Jahren gesehen, wurde aber zunächst für einen
Stern gehalten. Erst ein Raumfahrzeug, die Voyager 2, besuchte diesen Planeten am 24. Januar 1986. Die Atmosphäre des Gasplaneten setzt sich aus 83 % Wasserstoff, 15 % Helium und
2 % Methan zusammen. Im Gegensatz zu den anderen Gasplaneten hat Uranus keinen felsigen Kern. Es wird angenommen, dass das Material gleichmäßig verteilt ist. Wie die anderen
Gasplaneten, hat auch Uranus ein Ringsystem. Eine Besonderheit des Planeten ist sein Magnetfeld, das nicht im Mittelpunkt zentriert ist, sondern in höheren Schichten. Der Planet hat
27 Monde. Uranus kann nachts mit bloßem Auge gerade noch erkannt werden, mit einem
Feldstecher ist er einfach zu sehen.59
Planet Neptun
Nach der Entdeckung von Uranus bemerkten Wissenschaftler, dass seine Umlaufbahn nicht
mit den Newtonschen Gesetzen übereinstimmt. Daher vermuteten Astronomen, dass ein noch
58
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 108 ff; HARTMANN (2006): S. 38; ARNETT (2011f); NINE PLANETS
(o.J.f)
59
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 110; HARTMANN (2006): S. 40; ARNETT (2011g); NINE PLANETS (o.J.g)
Seite 45 von 120
weiter entfernter Planet die Umlaufbahn beeinflusst. John Couch Adams (1819 – 1892), ein
englischer Astronom und Mathematiker, stellte Berechnungen an, wo sich der unbekannte
Planet befinden müsste, veröffentlichte diese Aufzeichnungen aber nie. Unabhängig von
Adams errechnete auch ein französischer Mathematiker, Urbain Jean Joseph Le Verrier
(1811 – 1877), die Position des unbekannten Himmelsobjektes. Auf Grundlage der Berechnungen von Le Verrier entdeckten der deutsche Astronom Johann Gottfried Galle (1812 –
1910) und der dänische Astronom Heinrich Louis d’Arrest (1822 – 1875) am 23. September
1846 diesen Planeten, Neptun. Heute wird die Entdeckung Adams und Le Verrier zugeschrieben. Neptun ist in der römischen Mythologie der Gott des Meeres. Den Namen bekam Neptun
wegen seiner blauen Färbung, die durch die Absorption des roten Lichtes durch das Methan
der Atmosphäre entsteht. Der Gasplanet wurde nur von einem Raumfahrzeug, der Voyager 2,
im Jahr 1989 besucht. Der Planet besteht, ähnlich wie Uranus, aus Felsen und verschiedenen
Eisarten. Bei Neptun wird angenommen, dass der Planet keine getrennten Schichten hat. Im
Unterschied zu Uranus gehen Wissenschaftler aber von einem zumindest „kleinen“ Kern aus
felsigem Material aus. Dieser „kleine“ Kern könnte ungefähr der Masse der Erde entsprechen.
Die Atmosphäre von Neptun besteht hauptsächlich aus Wasserstoff und Helium und einem
geringen Anteil von Methan. Wie die Planeten Jupiter und Saturn, hat Neptun eine innere
Hitzequelle und strahlt mehr Energie ab als er von der Sonne aufnimmt. Das Magnetfeld liegt
– wie bei Uranus – nicht im Zentrum des Planeten, sondern in höheren Schichten. Neptun
kann mit einem Feldstecher als kleine Scheibe beobachtet werden.60
Zwergplanet Pluto
In der Mythologie ist Pluto der Gott der Hölle, der Unterwelt. Wahrscheinlich bekam er diesen Namen, weil er durch seine große Entfernung zur Sonne, ständig in der Dunkelheit liegt.
Eine andere Erklärung besagt, dass die Namensgebung mit Percival Lowell zusammenhängt.
Der amerikanische Astronom Percival Lowell (1855 – 1916) suchte jahrelang vergeblich nach
dem Planeten, der hinter Neptun liegen sollte. Nach seinem Tod wurde die Suche im Lowell
Obervatory, das 1894 von Lowell in Arizona, USA, gegründet wurde, fortgesetzt. Im Jänner
1930 wurde Pluto schließlich entdeckt. Am 13. März 1930 (der Geburtstag von Percival Lowell) wurde die Entdeckung publik gemacht und bekam Percival Lowell zu ehren die Buch-
60
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 111; HARTMANN (2006): S. 41; ARNETT (2011h); NINE PLANETS (o.J.h);
WIKIPEDIA (2012g)
Seite 46 von 120
staben PL. Pluto wurde der Planetenstatus von der International Astronomical Union im Jahr
2006 aberkannt.61
Pluto war bis zur Aberkennung des Planetenstatus der kleinste der Planeten. Heute wird er als
„Zwergplanet“ eingestuft. Er ist sogar kleiner als unser Mond, Io oder Europa. Pluto wurde
noch nie von einer Raumsonde besucht. Die exzentrische Umlaufbahn von Pluto kreuzt
manchmal die von Neptun. Im Zeitraum zwischen 1979 und 1999 war Neptun weiter von der
Sonne entfernt als Pluto. Eine weitere Besonderheit ist, dass Pluto – wie der Planet Venus –
gegenläufig zu anderen Planeten, also im Uhrzeigersinn, rotiert. Um die Sonne einmal zu umkreisen, benötigt Pluto etwa 250 Erdenjahre.62
Folgende Übersicht fasst die wichtigsten Daten zusammen:
61
vgl. NINE PLANETS (o.J.i); DEITERS (2009); IAU – INTERNATIONAL ASTRONOMICAL UNION (o.J.a); LOWELL
OBERVATORY (o.J.)
62
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 112; HARTMANN (2006): S. 42; ARNETT (2008); NINE PLANETS (o.J.h);
NINE PLANETS (o.J.i)
Seite 47 von 120
Übersicht der Planeten:63
Abstand zur
PlanetensysSonne
64
tem
(000 km)
Sonne
57 910
Merkur
Venus
Durchmesser
(in km)
Umfang
(in km)
Masse
(in kg)
1 390 000
4 379 000
1,989·1030
15 329
3,30·1023
38 025
4,87·1024
4 880
Satellit
Besonderes
~ Dauer eines
Planetenjahres
(in Erdjahren)
0,24
(d.s. 0,38 AE)
108 200
dritthellstes Objekt
12 103
0,6
(d.s. 0,72 AE)
149 600
Erde
Entdecker
12 756
40 075
5,98·1024
Mond
gegenläufige Rotation
der Mond ist neben der
Sonne der hellste Himmelsköper (von der
Erde aus betrachtet)
1
(d.s. 1 AE)
die Erde hat die größte
Dichte
227 940
Mars
6 794
21 344
6,42·1023
Phobos,
Deimos
1,90·1027
mind. 18; die
4 bekanntesten: Io, Europa, Ganymed,
Kallisto
(d.s. 1,52 AE)
fünfthellstes Objekt
1,8
vierthellstes Objekt
778 000
Jupiter
63
64
142 984
(d.s. 5,20 AE)
449 197
vgl. UNSÖLD, BASCHEK (2005): S. 23; NINE PLANETS; WINKELBAUER
die Planeten sind nach der Entfernung zur Sonne geordnet, beginnend bei dem am nächsten liegenden Planeten
Seite 48 von 120
hat ein Ringsystem
12
strahlt mehr Energie ab,
als er von Sonne empfängt
Planetensystem65
Abstand zur
Sonne
(000 km)
Durchmesser
(in km)
Umfang
(in km)
Masse
(in kg)
Satellit
5,69·1026
mind. 18; die
bekanntesten:
Atlas, Prometheus, Pandora
und Mimas
Entdecker
Besonderes
~ Dauer eines
Planetenjahres
(in Erdjahren)
sechsthellstes Objekt
1 429 000
Saturn
120 536
378 675
(d.s. 9,54 AE)
hat ein Ringsystem
29
strahlt mehr Energie ab,
als er von Sonne empfängt
hat ein Ringsystem
2 870 990
Uranus
51 118
160 592
8,69·1025
mind. 27
Herschel (1781)
(d.s. 19,218 AE)
Magnetfeld liegt nicht
im Mittepunkt
84
keinen felsigen Kern
hat ein Ringsystem
Magnetfeld liegt nicht
im Mittepunkt
4 504 300
Neptun
49 532
155 597
1,02·1026
mind. 18
(d.s. 30,06 AE)
Galle &
(1846)
d’Arrest
strahlt mehr Energie ab,
als er von Sonne empfängt
165
war von 1979 – 1999
weiter entfernt als Pluto
Planetenstatus von der
IAU 2006 aberkannt
Pluto (Zwergplanet)
5 913 520
2 300
7 232
1,31·1022
Charon
(d.s. 39,5 AE)
Tombaugh (1930)
Umlaufbahn
kreuzt
manchmal die von Neptun
gegenläufige Rotation
Tabelle 3: Übersicht unseres Sonnensystems
65
die Planeten sind nach der Entfernung zur Sonne geordnet, beginnend bei dem am nächsten liegenden Planeten
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250
6.4. Die Raumfahrt
Der Raketenantrieb funktioniert nach demselben Prinzip wie ein Gewehr, das eine Kugel abfeuert. Bei der Waffe spürt der Schütze einen Rückstoß. Wegen der Impulserhaltung im System Gewehr-Kugel ist der Impuls des Geschosses gleich groß wie der des Rückstoßes. Eine
Rakete funktioniert ebenso, nur dass bei dieser heiße Gase unter hoher Geschwindigkeit ausströmen. Juri A. Gagarin startete am 12. April 1961 als erster Mensch einen Flug in den
Weltraum. Der Flug dauerte 89 Minuten und erbrachte den Beweis, dass der Mensch der hohen Belastung einer bemannten Raumfahrt gewachsen war. Eine erste bemannte Mondlandung gelang Neil Armstrong, Buzz Aldrin und Michael Collins am 20. Juli 1969 bei der Apollo 11 Mission.66
Das Leben in einer Raumstation entspricht nicht dem Leben auf der Erde. Tragen zum Beispiel auf der Erde unsere Beine unseren Körper, so ist das in der Schwerelosigkeit nicht notwendig. Dadurch verändert sich der Körper der Astronauten. Ihr Rücken und ihre Beine verlieren an Kraft. Ihre Knochen werden schwach und dünn. Da sich auch die Muskulatur zurückbildet, ist es für Astronauten wichtig, während ihres Aufenthaltes im Weltraum jeden Tag
Muskeltraining zu betreiben. Die Herzaktivität und der Blutkreislauf sind durch einen Weltraumaufenthalt ebenfalls beeinträchtigt. Auf der Erde fließt das Blut durch die Gravitation zu
unseren Füßen, wodurch das Herz stärker arbeiten muss um den Kreislauf aufrecht zu erhalten. Im Weltraum hingegen fließen Blut und Wasser in den Kopf der Astronauten, wodurch
ihr Gesicht etwas verschwollen aussieht. Das Gehirn glaubt nun, dass im Körper zu viel Blut
und Wasser sind und reagiert entsprechend. Zurück auf der Erde müssen die Astronauten einige Tage rasten, damit ihre Körper das fehlende Blut und Wasser nachproduzieren können.
Die Körperhygiene birgt darüber hinaus einige Hindernisse. Das Zähneputzen an sich funktioniert so wie auf der Erde, doch gibt es kein Waschbecken in einem Space Shuttle. Stattdessen spucken die Astronauten in einen Waschlappen. Die Seife der Astronauten muss nicht mit
Wasser abgespült werden. Nach ihrem „Bad“ „trocknen“ sie sich mit einem Handtuch ab. Die
Hausarbeit, wie Staubwischen, Boden und Wände säubern oder Fensterputzen muss auch im
Weltall erledigt werden. Dazu verwenden sie ein desinfizierendes Putzmittel, das alle Keime
und Bakterien abtötet. Mit Feuchttüchern können sie ihr Besteck oder Tablett abwaschen.67
66
67
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 224, 233; NASA (2009)
vgl. NASA (2004)
Seite 50 von 120
7.
Unterrichtskonzepte
Nachstehend wird ein Unterrichtskonzept vorgestellt, das nicht den Anspruch erheben will,
das einzig Wahre zu sein. Es soll als Vorschlag gesehen werden, der ergänzt und verbessert
werden kann. Nach der Lehrplananalyse sowie unter Berücksichtigung des Vorwissens, das
für einige Themen gegeben sein muss, könnte die Einbettung der Themen wie folgt aussehen:
-
6. Schulstufe: Die Planeten unseres Sonnensystems sowie die Raumfahrt
-
7. Schulstufe: Die Entstehung von Tag und Nacht; die Jahreszeiten
-
8. Schulstufe: Die Funktionsweise eines Teleskops; die Mond- bzw. Sonnenfinsternis;
die Entstehung der Himmelsfarben
7.1. Die Funktionsweise eines Teleskops
Schulstufe:
8
Zeitaufwand:
4 UE
Bezug zu Lehrplan: Die Welt des Sichtbaren:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler grundlegendes Verständnis über Entstehung und Ausbreitungsverhalten des Lichtes erwerben
und anwenden können.
- Die Voraussetzungen für die Sichtbarkeit von Körpern erkennen und die Folgeerscheinungen der geradlinigen Lichtausbreitung verstehen;
- Funktionsprinzipien optischer Geräte und deren Grenzen bei der Bilderzeugung verstehen und Einblicke in die kulturhistorische Bedeutung gewinnen (ebener und gekrümmter Spiegel; Brechung und Totalreflexion, Fernrohr und Mikroskop);
- grundlegendes Wissen über das Zustandekommen von Farben in der Natur erwerben.68
Vorkenntnis:
Wie ein Spiegel (auch Hohlspiegel) funktioniert;
Reflexionsgesetz
Material & Medien: ein Arbeitsblatt Begriffserklärungen für jeden Schüler/jede Schülerin;
ein Arbeitsblatt Weißt du noch? für jeden Schüler/jede Schülerin;
ein Informationsblatt zu einem bestimmten Teleskop für jeden Schüler/jede Schülerin;
Lupen, Hohlspiegel, Papier, Streichhölzer (für alle Kinder);
Bauteile für die Teleskope (Linsen, Spiegel);
Fotoapparat oder Handy mit Fotofunktion
68
BMUKK (2012): S. 74
Seite 51 von 120
Lernziele 1. und 2. Unterrichtseinheit
LZ 1: Die Schüler und Schülerinnen können das Reflexionsgesetz mit eigenen Worten wiedergeben.
LZ 2: Die Schüler und Schülerinnen können die Begriffe Brennweite und Brennpunkt zuordnen und erklären.
LZ 3: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, was eine Linse ist.
LZ 4: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, was ein Hohlspiegel ist.
Lernziele 3. und 4. Unterrichtseinheit
LZ 1: Die Schüler und Schülerinnen können verschiedene Teleskoparten nennen.
LZ 2: Die Schüler und Schülerinnen können die Funktionsweise der verschiedenen Teleskoparten erklären.
1. und 2. Unterrichtseinheit
Die Lehrkraft teilt den Kindern das Arbeitsblatt Begriffserklärungen aus. Gemeinsam wird
erarbeitet, was Linsen sind, welche Formen es gibt, etc. Mit Realia und Lehrerversuchen an
der Tafel visualisiert der Lehrer/die Lehrerin diese Theorien. Durch Einsetzübungen, Fragen
und kleine Experimente werden die Kinder immer wieder aktiviert.
Danach werden durch ein Arbeitsblatt das Reflexionsgesetz und der Hohlspiegel in Einzelarbeit wiederholt. Das bietet den Schülern und Schülerinnen die Möglichkeit, selbst zu evaluieren, ob sie Wissenslücken haben. Gemeinsam werden die Lösungen dann besprochen.
Seite 52 von 120
Begriffserklärungen69
Linsen
Wie eine Linse wirkt, hängt von der Linsendicke ab. So können Sammellinsen (oder konvexe
Linsen) daran erkannt werden, dass sie in der Mitte dicker sind als am Rand. Zerstreuungslinsen (oder konkave Linsen) sind in der Mitte dünner als am Rand.
Hier ist eine Darstellung von Linsen. Schaffen wir es, diese gemeinsam zu benennen?
Linsenformen
konvex:
konkav:
plan:
69
die Oberfläche ist nach Außen gewölbt
die Oberfläche ist nach Innen gewölbt
die Oberfläche ist eben
vgl. STEINDL (1999a); LICHTSCHEIDL (o.J.a-d)
Seite 53 von 120
Sammellinse
Bei einer Sammellinse werden die Lichtstrahlen nach innen gebrochen. In einem gemeinsamen Punkt
– dem Brennpunkt – sammeln sich die Lichtstrahlen wieder.
F
f = Brennweite
F = Brennpunkt
f
Die Brennweite ist der Abstand zwischen Linsenmitte und Brennpunkt.
Zerstreuungslinse
Bei einer Zerstreuungslinse werden die Lichtstrahlen nach außen gebrochen (oder gestreut). Verlängert man diese gebrochenen Lichtstrahlen nach hinten, erhält man den Brennpunkt.
F
f
Nun wollen wir aber wissen, wie viel Energie in den Sonnenstrahlen steckt!
Dazu brauchen wir Zündhölzer, Papier, Lupen, Hohlspiegel und Wissenschaftler.
Haltet im Freien die Lupe so ins Sonnenlicht, dass die Strahlen senkrecht auf die
Lupen treffen. Versucht nun, den Brennpunkt auf eurer Haut zu finden. Dadurch
könnt ihr auch die Brennweite feststellen! Haltet ihr die Lupe zu lange bei dieser
Entfernung auf eure Haut, so könnt ihr bald ein Jucken und Brennen spüren.
Nehmt statt eurer Haut nun lieber ein Papier, euer Forschungspartner/eure Forschungspartnerin nimmt ein Streichholz.
Bevor du mit dem Experiment beginnst, beantworte die Frage: Was wird mit
dem Papier oder dem Streichholz passieren? Schreib deine Vermutung auf:
__________________________________________________________________________________
Jetzt findet heraus, wo der Brennpunkt des Hohlspiegels liegt!
Seite 54 von 120
Weißt du noch?
Was ist die Brennweite? ______________________________________________________________
Was ist der Brennpunkt? ______________________________________________________________
Reflexionsgesetz
Wie lautet das Reflexionsgesetz? _______________________________________________________
__________________________________________________________________________________
Zeichne den reflektieren Lichtstrahl ein und benenne die fehlenden Größen:
Einfallender Lichtstrahl
Reflektierter Lichtstrahl
Einfallswinkel
Hohlspiegel
Ein Hohlspiegel ist ein Spiegel, der nach innen gewölbt ist. Der Spiegel reflektiert die Strahlen nach
dem Reflexionsgesetz. Die reflektierten Strahlen laufen im Brennpunkt zusammen. Daher ergibt sich
folgendes Bild für die parallel eintreffenden Sonnenstrahlen (zeichne den Verlauf der Strahlen mit
Pfeilen ein und benenne den Punkt!)
Hohlspiegel
Lichtquelle
_______________________________________
Seite 55 von 120
3. und 4. Unterrichtseinheit
Die Schüler und Schülerinnen werden am Stundenanfang in Forschergruppen geteilt. Im Idealfall werden die Tische in Tischgruppen angeordnet. Bei Gruppenarbeiten zeigt diese Sitzform viele Vorteile, weil die Schüler und Schülerinnen leicht miteinander kommunizieren
können, jeder seinen Arbeitsplatz hat und der Lehrer bzw. die Lehrerin von Tisch zu Tisch
gehen kann, um die Schüler und Schülerinnen individuell zu unterstützen.70 Jede Gruppe bekommt ein Informationsblatt zu einem bestimmten Teleskop (Spiegelteleskop, astronomisches Fernrohr, Prismenfernrohr, Fernrohr nach Galilei). Die Schüler und Schülerinnen werden nun gebeten, die wichtigsten Informationen zu exzerpieren. Außerdem legt der Lehrer/die
Lehrerin am Lehrertisch Bauteile für die Forschergruppen bereit, die sich selbständig jene
Bauteile holen, die sie für ihr Teleskop benötigen. Jede Forschergruppe bekommt folgende
Problemstellung: Mit welchen Bauteilen kannst du dein Teleskop nachbauen? Holt euch vom
Lehrertisch die für den Bau des Teleskops notwendigen Teile. Baut das Teleskop zusammen.
Haltet die Arbeitsschritte mit einem Fotoapparat fest. Die offene Problemstellung regt die
Schüler und Schülerinnen an, die Lösung zu suchen und auszuprobieren.71 Durch Fotos wird
der Lösungsweg schrittweise festgehalten. Schüler- und Schülerinnenexperimente, wie
hier, machen nicht nur physikalische Zusammenhänge und Gesetzmäßigkeiten erkennbar, sie
fördern auch die sozialen Kompetenzen der Kinder und stärken ihre Persönlichkeitsmerkmale
wie z.B. Genauigkeit.72 Durch das forschend-entdeckende Lernen soll die Motivation der
Schüler und Schülerinnen (die nach den Ergebnissen des Fragebogens bei diesem Thema eher
zurückhaltend ist) gesteigert werden.73 Jede Gruppe präsentiert ihre Forschungsergebnisse den
Mitschülern und Mitschülerinnen (dafür werden etwa 30 Minuten benötigt). Die Mitschüler
und Mitschülerinnen sind selbst verantwortlich, sich die wichtigsten Informationen aller Präsentationen zu notieren. Nach den Präsentationen sollte Zeit für noch offene Fragen eingeplant werden. So lernt jeder Schüler und jede Schülerin alle Teleskoparten kennen und kann
eine Fernrohrart selbst genauer erkunden.
70
vgl. GEHRKE (2008); LARBIG (2011)
vgl. RATH (o.J.b)
72
vgl. MIKELSKIS-SEIFERT (2010): S. 34
73
vgl. MIKELSKIS-SEIFERT (2010): S. 70
71
Seite 56 von 120
Informationsblatt
Spiegelteleskop74
Wofür brauche ich ein Fernrohr?
Die Niederländer bauten bereits um 1600 die ersten Fernrohre. Wissenschaftler wie Galileo
Galilei, erkannten schnell die enorme Bedeutung dieser Geräte. 1609 baute Galileo Galilei
und 1611 baute Johannes Kepler jeweils eines nach, um damit den Himmel zu erkunden. Mit
Hilfe eines Fernrohrs können wir in die Ferne sehen. Es vergrößert Gegenstände, Menschen,
Tiere oder Planeten, die wir so mit freiem Auge gar nicht sehen könnten. So können wir mit
Hilfe des Fernrohrs drohende Gefahren in der Seefahrt früh genug erkennen, unseren Mond
und dessen Krater erkunden oder auch Sterne im weiten Weltall entdecken. Für die verschiedenen Verwendungszwecke gibt es auch unterschiedliche Teleskope:
- Das Spiegelteleskop
- Das Prismenteleskop
- Das astronomische Teleskop
- Das Fernrohr nach Galilei
Das Spiegelteleskop (oder Spiegelfernrohr)
Hohlspiegel
Planspiegel
Okular
Z
Alle Fernrohre, die nur mit Linsen funktionieren verursachen einen farbigen Kreis um das
beobachtete Objekt. Dieses Phänomen wird durch die unterschiedliche Brechung des Lichts
verursacht. Daher ersetzte Sir Isaac Newton im Jahr 1762 die Objektivlinse durch einen Hohlspiegel, bei dem sich das verschiedenfarbige Licht im gleichen Winkel bricht. Die Abbildung
links zeigt dir den Weg eines Lichtstrahls: Das Licht fällt parallel auf den Hohlspiegel, wo es
reflektiert und in Richtung Planspiegel gebündelt wird. Dort wird das Lichtbündel weitergeleitet. Es entsteht ein Zwischenbild (Z). Die Strahlen gelangen durch ein Okular, der das Bild
wieder vergrößert.
Je größer der Hohlspiegel ist, desto größer ist auch die Lichtausbeute. Dadurch werden diese
Teleskoparten jedoch auch sehr schwer. Nicht selten wiegen sie einige Tonnen. Für den Alltag eignen sich Spiegelteleskope deshalb eher nicht. Ein Spiegelfernrohr wird hauptsächlich
für Beobachtungen im Weltall verwendet.
74
vgl. URBACH (o.J.d); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 26; LEIFI (o.J.b)
Seite 57 von 120
Nun überlegt: Mit welchen Bauteilen könnt ihr euer Spiegelteleskop nachbauen? Holt euch
diese Bauteile vom Lehrertisch und baut das Teleskop nach. Haltet die Arbeitsschritte mit
eurem Fotoapparat fest. Präsentiert euer Kleinprojekt euren Mitschülern am Ende der Stunde (etwa 5 Minuten):
- Informationen zum Spiegelteleskop (Funktionsweise, Einsatzgebiet, etc.)
- Forschungsweg (die Fotoserie mit Erfahrungen, worauf man achten muss, etc.)
- das Endprodukt (das Spiegelteleskop)
Seite 58 von 120
Informationsblatt
Das KeplerKepler-Fernrohr ODER Das astronomische
astronomische Fernrohr75
Wofür brauche ich ein Fernrohr?
Die Niederländer bauten bereits um 1600 die ersten Fernrohre. Wissenschaftler wie Galileo
Galilei, erkannten schnell die enorme Bedeutung dieser Geräte. 1609 baute Galileo Galilei
und 1611 baute Johannes Kepler jeweils eines nach, um damit den Himmel zu erkunden. Mit
Hilfe eines Fernrohrs können wir in die Ferne sehen. Es vergrößert Gegenstände, Menschen,
Tiere oder Planeten, die wir so mit freiem Auge gar nicht sehen könnten. So können wir mit
Hilfe des Fernrohrs drohende Gefahren in der Seefahrt früh genug erkennen, unseren Mond
und dessen Krater erkunden oder auch Sterne im weiten Weltall entdecken. Für die verschiedenen Verwendungszwecke gibt es auch unterschiedliche Teleskope:
- Das Spiegelteleskop
- Das Prismenteleskop
- Das astronomische Teleskop
- Das Fernrohr nach Galilei
Das astronomische Fernrohr (oder Kepler-Fernrohr)
Objektiv
Brennstrahl
Okular
Zwischenbild
F
Da sich bei diesem Fernrohr die Brennweiten der Linsen addieren, hat das den Nachteil, dass
die beobachteten Objekte seitenverkehrt sind und auf dem Kopf stehen. Das ist allerdings
für Himmelsbeobachtungen nicht sehr bedeutsam. Ein großer Vorteil eines Keplerschen Teleskops ist das größere Beobachtungsfeld und eine höhere Bildhelligkeit.
Die Abbildung zeigt dir den Weg eines Lichtstrahls: Die erste Linse, das Objektiv erzeugt vom
Objekt ein auf dem Kopf stehendes, reelles Zwischenbild. Dieses Bild wird durch das Okular
(das wie eine Lupe funktioniert) betrachtet, wodurch das Auge ein virtuelles, vergrößertes
Bild sieht, das in geringerer Entfernung zu sein scheint.
75
vgl. URBACH (o.J.b); HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 26; LEIFI (o.J.b)
Seite 59 von 120
Nun überlegt: Mit welchen Bauteilen könnt ihr euer Kepler-Teleskop nachbauen? Holt euch
diese Bauteile vom Lehrertisch und baut das Teleskop nach. Haltet die Arbeitsschritte mit
eurem Fotoapparat fest. Präsentiert euer Kleinprojekt euren Mitschülern und Mitschülerinnen am Ende der Stunde (etwa 5 Minuten):
- Informationen zum Kepler-Teleskop (Funktionsweise, Einsatzgebiet, etc.)
- Forschungsweg (die Fotoserie mit Erfahrungen, worauf man achten muss, etc.)
- das Endprodukt (das Kepler-Teleskop)
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Informationsblatt
Prismenfernrohr76
Wofür brauche ich ein Fernrohr?
Die Niederländer bauten bereits um 1600 die ersten Fernrohre. Wissenschaftler wie Galileo
Galilei, erkannten schnell die enorme Bedeutung dieser Geräte. 1609 baute Galileo Galilei
und 1611 baute Johannes Kepler jeweils eines nach, um damit den Himmel zu erkunden. Mit
Hilfe eines Fernrohrs können wir in die Ferne sehen. Es vergrößert Gegenstände, Menschen,
Tiere oder Planeten, die wir so mit freiem Auge gar nicht sehen könnten. So können wir mit
Hilfe des Fernrohrs drohende Gefahren in der Seefahrt früh genug erkennen, unseren Mond
und dessen Krater erkunden oder auch Sterne im weiten Weltall entdecken. Für die verschiedenen Verwendungszwecke gibt es auch unterschiedliche Teleskope:
- Das Spiegelteleskop
- Das Prismenteleskop
- Das astronomische Teleskop
- Das Fernrohr nach Galilei
Das Prismenfernglas
Okular
Objektiv
Da Linsenfernrohre ziemlich lang sind, wurde als Alternative das Prismenfernglas entwickelt,
das aus Linsen und Prismen zusammengesetzt ist. Das Licht fällt durch die erste Linse, die
Objektlinse, und wird zum ersten Prisma weitergeleitet. In beiden Prismen werden die Strahlen zweimal im rechten Winkel reflektiert. Das Bild wird durch die Okularlinse vom Beobachter aufrecht und vergrößert gesehen.
Nun überlegt: Mit welchen Bauteilen könnt ihr euer Prismenfernglas nachbauen? Holt euch
diese Bauteile vom Lehrertisch und baut das Teleskop nach. Haltet die Arbeitsschritte mit
eurem Fotoapparat fest. Präsentiert euer Kleinprojekt euren Mitschülern und Mitschülerinnen am Ende der Stunde (etwa 5 Minuten):
- Informationen zum Prismenfernglas (Funktionsweise, Einsatzgebiet, etc.)
- Forschungsweg (die Fotoserie mit Erfahrungen, worauf man achten muss, etc.)
- das Endprodukt (das Prismenfernglas)
76
vgl. URBACH (o.J.e)
Seite 61 von 120
Informationsblatt
Informationsblatt
Fernrohr GalileiGalilei-Fernrohr77
Wofür brauche ich ein Fernrohr?
Die Niederländer bauten bereits um 1600 die ersten Fernrohre. Wissenschaftler wie Galileo
Galilei, erkannten schnell die enorme Bedeutung dieser Geräte. 1609 baute Galileo Galilei
und 1611 baute Johannes Kepler jeweils eines nach, um damit den Himmel zu erkunden. Mit
Hilfe eines Fernrohrs können wir in die Ferne sehen. Es vergrößert Gegenstände, Menschen,
Tiere oder Planeten, die wir so mit freiem Auge gar nicht sehen könnten. So können wir mit
Hilfe des Fernrohrs drohende Gefahren in der Seefahrt früh genug erkennen, unseren Mond
und dessen Krater erkunden oder auch Sterne im weiten Weltall entdecken. Für die verschiedenen Verwendungszwecke gibt es auch unterschiedliche Teleskope:
- Das Spiegelteleskop
- Das Prismenteleskop
- Das astronomische Teleskop
- Das Fernrohr nach Galilei
Das Galilei-Fernrohr
Objektiv
Okular
Brennstrahl
F1
F2
Wie dir die Abbildung zeigt, besteht das Fernrohr aus einer Objektiv- (Sammellinse) und einer Okularlinse (Zerstreuungslinse). Diese Linsen sind an den beiden Enden des Fernrohres
als Linsensystem angebracht. Die Objektivlinse ist die Linse mit dem größeren Brennpunkt
und ist dem zu beobachtenden Objekt zugewandt. Die Okularlinse ist beim Auge des Betrachters. Diese Linse funktioniert wie eine Lupe. Die Objektivlinse erzeugt ein auf dem Kopf
stehendes Zwischenbild, das durch die Okularlinse vergrößert und wieder aufrecht gestellt
wird. Die Abbildung zeigt dir den Weg eines Lichtstrahls.
77
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 26; URBACH (o.J.c); LEIFI (o.J.b)
Seite 62 von 120
Ein großer Nachteil ist: Das Beobachtungsfeld bei diesem Fernrohr ist relativ klein, so kann
nur etwa ein Viertel der Mondscheibe beobachtet werden.
Nun überlegt: Mit welchen Bauteilen könnt ihr euer Galilei-Fernrohr nachbauen? Holt euch
diese Bauteile vom Lehrertisch und baut das Teleskop nach. Haltet die Arbeitsschritte mit
eurem Fotoapparat fest. Präsentiert euer Kleinprojekt euren Mitschülern und Mitschülerinnen am Ende der Stunde (etwa 5 Minuten):
- Informationen zum Galilei-Fernrohr (Funktionsweise, Einsatzgebiet, etc.)
- Forschungsweg (die Fotoserie mit Erfahrungen, worauf man achten muss, etc.)
- das Endprodukt (das Galilei-Fernrohr)
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7.2. Die Entstehung von Tag, Nacht und den Jahreszeiten
Schulstufe:
7
Zeitaufwand:
1 UE
Bezug zu Lehrplan: Unser Leben im “Wärmebad”:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefergehendes Verständnis der thermischen Vorgänge in der unbelebten und belebten
Welt gewinnen.
- Die Alltagsbegriffe “Wärme” und “Kälte” als Bewegungsenergie der Aufbauteilchen der Körper sowie den Unterschied zwischen “Wärme” und “Temperatur” verstehen;
- modellartig verschiedene Formen des Wärmetransportes und wichtige Folgerungen
erklären können; Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung;
- die Bedeutung der Wärmeenergie für Lebewesen in ihrer Umwelt erkennen;
- die Bedeutung der Wärmeenergie im wirtschaftlichen und ökologischen Zusammenhang sehen;
- Zustandsänderungen und dabei auftretende Energieumsetzungen mit Hilfe des Teilchenmodells erklären können;
- Einsichten in globale und lokale Wettervorgänge und Klimaerscheinungen gewinnen (Jahreszeit, Wasserkreislauf auf der Erde, Meeresströmungen, Windsysteme).78
Vorkenntnis:
Wärmeleitung, Wärmeströmung, Wärmestrahlung
Material & Medien: Wärmelampe für jede Schüler-/Schülerinnengruppe;
einen Globus für jede Schüler-/Schülerinnengruppe;
ein Digital-Thermometer für jede Schüler-/Schülerinnengruppe;
ein Forscherblatt für jeden Schüler/jede Schülerin
Lernziele
LZ 1: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, warum es die Jahreszeiten gibt.
LZ 2: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, warum es Tag und Nacht gibt.
Da „…Lernen als Konstruktion neuen Wissens auf der Grundlage bereits existierender Vorstellungen anzusehen“79 ist, müssen Schüler- und Schülerinnenvorstellungen bei der Gestaltung des Unterrichts besondere Berücksichtigung finden. Am Anfang der Stunde werden
die Schüler und Schülerinnen nach ihrer Erklärung zu diesen Phänomenen gefragt. Während
die Entstehung von Tag und Nacht von den Schülern und Schülerinnen sehr wahrscheinlich
78
79
BMUKK (2012): S. 73
WILLER (2003): S. 313
Seite 64 von 120
erklärt werden kann, werden viele Kinder bei der Frage nach der Entstehung der Jahreszeiten
an ihre Grenzen stoßen. Die wahrscheinlich häufigste Fehlvorstellung ist, dass die Erde in den
Sommermonaten der Sonne näher ist als in den Wintermonaten.80 Daraus stellt sich jedoch die
Frage: Wie kann dann in Australien Winter sein, wenn in Europa Sommer ist? Das Problem
versuchen die Schüler und Schülerinnen in Kleingruppen durch ein Experiment81 zu lösen:
80
vgl. NACHTIGALL (2002)
vgl. BARMEIER; BOLDT; CIPRINA; FRÖCHTENICHT; HEIDE; HELL; LEUPOLD; MAIWORM; MÉNDEZ; PEPPMEIER;
WALLSCHEK; WILLMER-KLUMPP (2008): S. 44
81
Seite 65 von 120
Forschungsauftrag
Euch stehen eine Wärmelampe, ein Globus und ein Digital-Thermometer zur Verfügung. Wie
könnt ihr herausfinden, welche Faktoren den Anstieg oder Abfall der Temperatur beeinflussen?
Skizziere euren Versuch:
Was kannst du beobachten?
Was sind deine/eure Erkenntnisse?
Für die Entstehung der Jahreszeiten bedeutet das:
Sommer
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Winter
Brauchen die Schüler und Schülerinnen Hilfe bei der Problemlösung, so können sie sich Hinweiskärtchen beim Lehrertisch holen. Diese führen Schrittweise zur Lösung hin:
Hinweis 1
Die Sonnenstrahlung liefert Licht und Energie, also…..
Hinweis 2
Die Wärmelampe ist in diesem Modell die Sonne.
Hinweis 3
Die Erdachse ist zur Ebene der Umlaufbahn der Erde um die Sonne geneigt und schaut immer in dieselbe Richtung – genau wie beim Globus.
Hinweis 4
Der Einfallswinkel der Sonne ist an verschiedenen Stellen am Globus unterschiedlich groß!
Experimente können im Unterricht verschiedene Einsatzmöglichkeiten haben. In diesem Fall
soll das Experiment nicht nur motivieren und das Interesse wecken, sondern das Phänomen
Jahreszeiten klar darstellen. Nachhaltig soll sich die falsche Schüler-bzw. Schülerinnenvorstellung in eine wissenschaftlich fundierte Begründung ändern. Demnach kommt dem Experiment bei dieser Problemlösung eine fundamentale Bedeutung zu.82
82
vgl. MIKELSKIS-SEIFERT (2010): S. 29; BRUCH (2006): S. 57
Seite 67 von 120
7.3. Die Himmelsfarben
Schulstufe:
8
Zeitaufwand:
2 UE (Doppelstunde)
Bezug zu Lehrplan: Die Welt des Sichtbaren:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler grundlegendes Verständnis über Entstehung und Ausbreitungsverhalten des Lichtes erwerben
und anwenden können.
- Die Voraussetzungen für die Sichtbarkeit von Körpern erkennen und die Folgeerscheinungen der geradlinigen Lichtausbreitung verstehen;
- Funktionsprinzipien optischer Geräte und deren Grenzen bei der Bilderzeugung verstehen und Einblicke in die kulturhistorische Bedeutung gewinnen (ebener und gekrümmter Spiegel; Brechung und Totalreflexion, Fernrohr und Mikroskop);
- grundlegendes Wissen über das Zustandekommen von Farben in der Natur erwerben.83
Vorkenntnis:
Reflexionsgesetz, Sonnenstrahl
Material & Medien: ein Arbeitsplan für jeden Schüler/jede Schülerin;
Arbeitsblätter für jeden Schüler/jede Schülerin;
Computerarbeitsplatz für jeden Schüler/jede Schülerin;
Videos (diese können von youtube geladen werden):
http://www.youtube.com/watch?v=p10gsmpw6Yg;
http://www.youtube.com/watch?v=97NzyRJwGew;
http://www.youtube.com/watch?v=60B32hrI8bo;
http://www.youtube.com/watch?v=qFKu9hZgG5A;
http://www.youtube.com/watch?v=J1WwLRptu4Q;
Glasgefäß, Wasser, Milch, Taschenlampen (in ausreichender Anzahl);
Karton (ca. 20x20 cm), Bleistift, Zirkel, Schere, Klebstoff, Naturpapier
(gelb, rot, grün, blau, violett);
Prisma (in ausreichender Anzahl);
tiefer Teller, Wasser, kleiner Spiegel (in ausreichender Anzahl)
83
BMUKK (2012): S. 74
Seite 68 von 120
Lernziele
LZ 1: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, wie ein Regenbogen entsteht.
LZ 2: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, wie die Himmelsfarben entstehen.
Ein vorrangiges Ziel der Neuen Mittelschule ist ein Unterricht, der die jeweiligen Begabungen
und Interessen der Kinder fördert. In kleinen Lerngruppen sollen die Schüler und Schülerinnen ihren Leistungsstand durch individuelle Förderung verbessern. Durch differenzierte Aufgabenstellungen sollen lernschwache Schüler und Schülerinnen unterstützt und eine Unterforderung der lernstarken Schüler und Schülerinnen vermieden werden. 84 Offene Lernformen
bieten die notwendigen Rahmenbedingungen in dieser neuen Lernkultur. Primäres Ziel ist
hierbei der selbständige Wissenserwerb. Beim offenen Lernen sollten verschiedene Sozialformen abgedeckt werden. Dadurch lernen die Kinder Teamarbeit, aber auch Aufgaben alleine zu lösen. Durch diese verschiedenen Arbeitsformen und den gezielten Einsatz von unterschiedlichen Medien wird auch die Flexibilität der Schüler und Schülerinnen gefördert. Die
Aufgabenbereiche unterteilen sich in Pflichtaufgaben, Wahlaufgaben und Zusatzaufgaben.
Das offene Lernen bietet die Möglichkeit, Tages- oder Wochenpläne für die Schüler und
Schülerinnen zu erstellen, was das individuelle Arbeitstempo noch mehr unterstützt. Doppelstunden haben den Vorteil, dass der Lernfluss nicht unterbrochen wird und die Schüler und
Schülerinnen so die Möglichkeit haben, sich noch mehr zu entfalten.85
Die Unterrichtsstunde kann mit der Frage „Warum ist der Himmel eigentlich blau?“ beginnen. Diese Frage können die wenigsten beantworten, was dem Lehrer/der Lehrerin die Möglichkeit bietet, mit dieser Problemstellung das Interesse der Schüler und Schülerinnen zu wecken und sie für die Lösungsfindung zu motivieren. Der Arbeitsplan ist teilweise auf Englisch
geschrieben, um internationale Fertigkeiten zu fördern. Die Pflichtaufgaben müssen von jedem Schüler und jeder Schülerin gemacht werden. Die Wahlaufgabe wiederholt in diesem
Fall das bereits Gelernte und ist somit eine Hilfestellung für lernschwächere Schüler und
Schülerinnen. Die Zusatzaufgaben behandeln Themen, die ein breiteres Wissen ermöglichen
sollen. Diese Themen werden nur in den Zusatzaufgaben behandelt. Die Kinder entscheiden
selbständig, welche Themen sie erarbeiten möchten. Am Ende der Stunde sollten etwa
15 Minuten eingeplant werden, um die Ergebnisse gemeinsam noch einmal zu besprechen.
84
85
vgl. BMUKK (o.J.)
vgl. PICK (1996)
Seite 69 von 120
your workplan
revision
Station
What do we need light for?
read / draw
!
The sunlight
Supernova und Vampirsterne
read
experiment
Video (3 min) + Fragen
Versuch + Protokoll
Video (1 min) + Fragen
(ein) Versuch
Video (4 min)
!
*
!
!
!
!
+
NASA Weltraumbilder
Video (3 min)
+
Was ist ein schwarzes Loch?
Video (1 min)
+
Wer weiß die Lösung?
Rätsel
+
Ein treffsicherer Fisch
Artikel
+
Warum ist der Himmel blau?
Wähle zu mind. 2 Aufgaben
(davon max. 1 Video)
Wie entsteht ein Regenbogen?
!
Must OR
choice
Type
compulsory
*
optional
Symbols on your worksheets:
work alone:
work with a partner:
work in a group:
teacher-check:
check with worksheet:
Seite 70 von 120
+
Done?
additional
What do we need light for?
for?
The sun sends light and heat with its sunrays to the earth. The sunrays incident on the surface of objects and reflect in the rules of the law of reflection. We can see those objects if
the reflected light meets our eyes.
It is not clever to look directly into the sun – you would be blind within a short time. However its rays are vital for animals, plants and humans. Plants fade if they do not get enough
sunlight. This is because they need the energy to stay alive. But also too much sun is harmful. If you are in the sun without any protection (like cream, hat, clothes) you get a sunburn.
That means you need to find a healthy proportion of direct sunlight.
Draw the way of a sunray (with an arrow). When you think you are done compare your draft
with your partner and then show it to your teacher:
then
sun
then
object
Which sources of light do you know? Compete (together with your partner) with another
couple. Which team finds more sources of light in 1 minute?
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
___________________________________________________________________________
Good to know: The artificial light produced by the humans on earth is that bright that it can
be seen out in space!
Seite 71 von 120
The sunlight86
The total frequency spectrum of radiation is called the sunlight which is white and includes
the spectral colours red, orange, yellow, green,
blue and purple. We can see those colours if
we send the white light through a prism (as you
see on the picture). Due to the different wavelengths of the light the dispersion is different:
The blue light has a shorter wavelength than
the red light.
The wavelengths of the light
A wavelength is the distance from any two points with the same phase (e.g. the crest of a
wave).
1nm = 0,000000001m
700nm
470nm
Was ist der Unterschied zwischen dem roten und dem blauen Licht?____________________
___________________________________________________________________________
Welche Farbe wird am stärksten gebrochen? ______________________________________
86
vgl. WIKIPEDIA (2013)
Seite 72 von 120
dann
Wie sieht so ein Sonnenstrahl aus?
aus?
Aus bunt wird weiß87
Du brauchst:
-
1 Karton (ca. 20x20 cm)
-
Bleistift
-
Zirkel
-
Schere
-
Klebstoff
-
Naturpapier (gelb, rot, grün, blau, violett)
dann
Zeichne auf den Karton einen Kreis (mit deinem Zirkel) mit einem Radius von 10 cm. Schneide den Kreis aus und unterteile diesen in zwölf gleich große Kreissegmente. Nun zeichne auf
jedes Blatt Naturpapier je 2 Kreissegmente, die die gleiche Größe wie jene auf dem Karton
haben. Wenn du die Kreissegmente des Naturpapiers ausgeschnitten hast, kannst du sie auf
den Karton kleben. Ordne die Farben dabei in unterschiedlicher Reihenfolge an. Mit einem
Stift kannst du in der Kreismitte ein Loch durch den Karton bohren. Nun hast du ein Kreisel.
Was passiert, wenn du es nun schnell drehst?
87
vgl. STEINDL (1999b)
Seite 73 von 120
oder
Warum ist der Himmel blau?
blau?
Schaue dir das Video an, in dem erklärt wird, warum der Himmel blau ist und beantworte
folgende Fragen:
dann
1.) Welche Farbe hat das Sonnenlicht für uns? ____________________________________
2.) Aus welchen Farben setzt sich das Sonnenlicht zusammen? _______________________
________________________________________________________________________
3.) Was passiert, wenn das Licht auf ein Teilchen trifft? ______________________________
4.) Warum wird das blaue Licht eher gestreut als das rote Licht? ______________________
________________________________________________________________________
Erkläre stichwortartig, warum der Himmel abends eine rötliche Färbung hat:
___________________________________________________________________________
Skizziere deine Begründung:
Welche Faktoren beeinflussen die Himmelsfarbe?
1. _________________________________________
2. _________________________________________
3. _________________________________________
Welcher Fehler ist dir im Video aufgefallen? __________________________________________
Seite 74 von 120
Warum ist der Himmel blau?
blau?
Ein Experiment88
Nun wollen wir aber wissen, ob das auch stimmt was wir gerade im Video gesehen haben.
Dafür braucht ihr:
-
1 Glaswanne
-
etwas Milch
-
Wasser
-
Taschenlampe
dann
Füllt die Wanne mit Wasser und etwas Milch, so dass eine trübe Flüssigkeit entsteht. Die
Flüssigkeit stellt nun die Atmosphäre dar, wobei die kleinen Fettpartikel der Milch die Moleküle sind. Nun durchleuchtet die Flüssigkeit von verschiedensten Winkeln. Was könnt ihr
beobachten?
Skizze
88
Beobachtung
vgl. EXPERIMENTIS (2011)
Seite 75 von 120
Erkenntnis
Wie entsteht ein Regenbogen?
Überlegt gemeinsam, wann ihr schon einmal einen Regenbogen gesehen habt. Dann schreibe auf, welche Faktoren wichtig sein könnten: ________________________________________
__________________________________________________________________________________
Schaut euch das Video an, wie ein Regenbogen entsteht.
Nun versucht euch zu erinnern, wann ihr einen Regenbogen sehen könnt und zeichnet davon eine Skizze. Wenn ihr es noch nicht schafft, schaut euch das Video noch einmal an und
zeichnet die Skizze dann.
Was geschieht genau? Erkläre den Vorgang mit eigenen Worten:
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
Unter welchem Winkel kann man den Regenbogen sehen? _____________________________
Seite 76 von 120
dann
Wir zaubern einen Regenbogen
Wählt zwischen folgenden Versuchen einen aus:
Versuch 1
Für einen Regenbogen braucht ihr:
-
einen tiefen Teller
-
einen kleinen Spiegel
-
Wasser
-
Sonnenstrahlen/Taschenlampe
Füllt den Teller mit Wasser und gebt den Spiegel in den Teller (so dass er mit Wasser bedeckt
ist). Nun müsst ihr den Spiegel richtig ausrichten, sodass Sonnenstrahlen auf ihn treffen und
dann reflektieren können. Macht ein Foto von eurem selbstgemachten Regenbogen und
zeigt es eurer Lehrkraft!
oder
Versuch 2
Für einen Regenbogen braucht ihr:
-
ein Prisma
-
Sonnenstrahlen/Taschenlampe
Richtet ein Prisma so am Fenster aus, dass die Lichtstrahlen gebrochen werden. Könnt ihr
euren Regenbogen sehen? Macht ein Foto und zeigt es eurer Lehrkraft!
Erklärt kurz eure Beobachtung:
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
Seite 77 von 120
dann
Wer weiß die Lösung?89
Warum können durch Glasscherben Waldbrände verursacht werden?
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
Kannst du die Funktionsweise einer Kanonenuhr mit Hilfe dieses Bildes erklären?
Die Kanonenuhr wurde von Rousseau erfunden. Die erste dieser Art wurde in Paris im Palais
Royal aufgestellt. Diese Uhr war im 18. Jahrhundert sehr beliebt. Aber warum nur?
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________________
89
vgl. GRESSMANN et al. (2007): S. 170; ERMERT (2009)
Seite 78 von 120
dann
Ein treffsicherer Fisch90
Name:
Spritzfisch oder Schützenfisch
Klassifizierung: Wirbeltier, barschartiger Fisch
Alter:
~ 11 Jahre
Länge:
bis 20 cm
Nahrung:
vor allem Insekten
Lebensraum:
Küstennähe; vor allem flache Gewässer bei Wassertemperaturen um 25 °C
Wegen seines außergewöhnlichen Jagdverhaltens bekam der Fisch den Namen Schützenfisch. Da der
Fisch am liebsten lebendige Insekten verspeist, und diese an Land leben, entwickelte der Schützenfisch eine besondere Jagdtechnik: Er schwimmt knapp unter der Wasseroberfläche, wo er in aller
Ruhe nach seiner Nahrung Ausschau halten kann. Sobald er ein Insekt entdeckt stellt er sich fast
senkrecht im Wasser auf. Er kann die Entfernung und Lage des Insekts genau einschätzen. Das ist gar
nicht so einfach, denn du musst die Brechung des Lichts wenn es auf die Wasseroberfläche auftritt
und dann in das Medium Wasser eintritt berücksichtigen! Der Fisch hat jetzt also sein Maul knapp
über die Wasseroberfläche gebracht. Er hat die aufrechte Position eingenommen und drückt nun
seine Zunge an seinen oberen Gaumen. Dadurch presst er seine Kiemendeckel ruckartig zusammen,
wodurch aus seinem Maul ein Wasserstrahl kommt, der exakt positioniert und dosiert ist. Das Insekt,
das vom Wasserstrahl getroffen wird, verliert sein Gleichgewicht und stürzt in das Wasser, wo sich
der Fisch seine Beute leicht schnappen kann.
Ein Schützenfisch kann diesen Wasserstrahl bis zu 4 Meter weit schießen! Auch die Wassermenge
des Strahls kann er der Größe des Insekts anpassen, wodurch der Fisch keine wertvolle Energie verschwendet.
Warum ist es für den Schützenfisch so schwierig, seine Beute genau zu treffen?
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
Wenn du die Antwort nicht weißt, kannst du im Internet recherchieren. Dieser Link könnte dir helfen:
http://www.tk-logo.de/cms/beitrag/10005144/203976/2
90
vgl. GRESSMANN, JOHN, KARAU (2007): S. 140
Seite 79 von 120
dann
7.4. Die Mond- bzw. Sonnenfinsternis
Schulstufe:
8
Zeitaufwand:
1 UE
Bezug zu Lehrplan: Die Welt des Sichtbaren:
Ausgehend von Alltagserfahrungen sollen die Schülerinnen und Schüler grundlegendes Verständnis über Entstehung und Ausbreitungsverhalten des Lichtes erwerben
und anwenden können.
- Die Voraussetzungen für die Sichtbarkeit von Körpern erkennen und die Folgeerscheinungen der geradlinigen Lichtausbreitung verstehen;
- Funktionsprinzipien optischer Geräte und deren Grenzen bei der Bilderzeugung verstehen und Einblicke in die kulturhistorische Bedeutung gewinnen (ebener und gekrümmter Spiegel; Brechung und Totalreflexion, Fernrohr und Mikroskop);
- grundlegendes Wissen über das Zustandekommen von Farben in der Natur erwerben.91
Vorkenntnis:
Lichtstrahlen, Schatten
Material & Medien: pro Gruppe 2 Bälle in deutlich unterschiedlichen Größen;
pro Gruppe 2 Lichtquellen (z.B. Taschenlampe);
Globus, Tischtennisball, Lichtquelle;
ein Arbeitsblatt für jeden Schüler/jede Schülerin
Lernziele
LZ 1: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, wie eine Mondfinsternis entsteht.
LZ 2: Die Schüler und Schülerinnen können erklären, wie eine Sonnenfinsternis entsteht.
LZ 3: Die Schüler und Schülerinnen kennen den Unterschied zwischen Kern- und Halbschatten und können daher auch die unterschiedliche Helligkeit bei einer totalen bzw. partiellen Mond- oder Sonnenfinsternis erklären.
Wenn im Unterricht die Ausbreitung von Licht und somit auch der Schatten behandelt wird,
kann ein Ausflug zum astronomischen Thema Mond- und Sonnenfinsternis gemacht werden.
Die Kinder teilen sich in 4er Gruppen (es können auch 5er Gruppen gebildet werden, dann ist
ein Kind der Regisseur und hilft seinem Team durch die außenstehende Sichtweise). Jede
Gruppe bekommt die gleiche Anzahl an Bällen: einen großen, der die Erde darstellt und einen
91
BMUKK (2012): S. 74
Seite 80 von 120
kleinen für unseren Mond. Zwei Schüler/Schülerinnen bekommen je eine Lichtquelle – sie
stellen damit die Sonne unseres Sonnensystems dar. Für den weiteren Verlauf ist eine große
Fläche (wie der Turnsaal) notwendig, damit die Schüler und Schülerinnen ausreichend Platz
haben, um verschiedene Szenarien auszuprobieren. Der Raum sollte etwas abgedunkelt werden. Nun bekommen die Schüler und Schülerinnen folgende Problemstellung: Wie sieht die
Sonne-Mond-Erde-Konstellation aus, damit wir auf der Erde eine völlige Mondfinsternis sehen? Wenn die erste Gruppe die richtige Lösung gefunden hat, dann dürfen sie die Anordnung den anderen Mitschülern und Mitschülerinnen erklären. Vertiefend kann nun folgende
Frage gestellt werden: Wann kann man eine partielle Mondfinsternis sehen? Wieder darf die
Gruppe, die als erste die richtige Lösung gefunden hat, ihr Wissen weitergeben. Danach wird
die Entstehung einer Sonnenfinsternis nach demselben Ablauf erarbeitet. Fragen dazu sind:
Wie sieht die Sonne-Mond-Erde-Konstellation aus, damit wir auf der Erde eine Sonnenfinsternis sehen? Wann kann man eine partielle Sonnenfinsternis sehen?
Durch Analogspiele können abstrakte Begriffe sowie Modellvorstellungen veranschaulicht
werden. Der Wettbewerbscharakter soll die Schüler und Schülerinnen motivieren, ihr Interesse wecken und ihre Kreativität fördern.92
Zurück im Klassenzimmer wird die Stellung der Himmelskörper mit einem Globus, einer
Lampe und einem Tischtennisball wiederholt. Danach schreiben die Schüler und Schülerinnen ihre Erkenntnisse auf dem Arbeitsblatt nieder.
92
vgl. MIKELSKIS-SEIFERT (2010): S. 181; BMUKK (2008): S. 2
Seite 81 von 120
Die Mondfinsternis93
Da der Mond selbst kein Licht ausstrahlt können wir ihn nur sehen, wenn er das Sonnenlicht zur Erde
reflektiert. Bei einer Mondfinsternis ist der Mond im Schatten der Erde. Die Himmelskörper Sonne,
Mond und Erde stehen in folgender Konstellation (zeichne auch die Schattenarten ein):
Die Sonnenfinsternis
Steht der Mond so zwischen Sonne und Erde, dass er die Sonne verdeckt, dann können wir eine Sonnenfinsternis beobachten. Die Himmelskörper Sonne, Mond und Erde stehen in folgender Konstellation (zeichne auch die Schattenarten ein):
93
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 126 ff
Seite 82 von 120
7.5. Die Planeten unseres Sonnensystems und die Raumfahrt
Schulstufe:
6
Zeitaufwand:
4 UE
Bezug zu Lehrplan: Die Welt in der wir uns bewegen:
Ausgehend von unterschiedlichen Bewegungsabläufen im Alltag, im Sport, in der Natur bzw. in der Technik sollen die Schülerinnen und Schüler ein immer tiefer gehendes
Verständnis der Bewegungsmöglichkeiten, der Bewegungsursachen und der Bewegungshemmungen von belebten und unbelebten Körpern ihrer täglichen Erfahrungswelt sowie des eigenen Körpers gewinnen. Weg und Geschwindigkeit; die gleichförmige und die gleichförmig beschleunigte Bewegung; Masse und Kraft; Masse und
Trägheit; Gewichtskraft und Reibungskraft.
- Bewegungsfördernde und bewegungshemmende Vorgänge verstehen und anwenden.94
Vorkenntnis:
=
Material & Medien 1. UE: ein Arbeitsblatt für jeden Schüler/jede Schülerin;
Tafel oder Flipchart
Material & Medien 2. UE: Bücher und/oder vorbereitete Arbeitsblätter mit Informationen
über das Leben der Astronauten im Weltall;
die Schüler/Schülerinnen können auch im Internet recherchieren, dafür
sollte der Lehrer/Lehrerin eine Liste mit Links vorbereitet haben
Material & Medien 3. UE: jedes Kind muss Zugang zu einem Computer + Internet haben;
ein kurzer Videoclip, den die Lehrkraft selbst erstellt bzw.
ein kurzer Videoclip z.B. von Khan Academy;
ein Arbeitsblatt für jeden Schüler/jede Schülerin
Material & Medien 4. UE: Pappmaché (Papier und Kleister)
Lernziele Sonnensystem
LZ 1: Die Schüler und Schülerinnen können die Planeten unseres Sonnensystems nennen.
LZ 2: Die Schüler und Schülerinnen können den Aufbau unseres Sonnensystems erklären.
LZ 3: Die Schüler und Schülerinnen können die Dimensionen unseres Sonnensystems verstehen.
94
BMUKK (2012): S. 72
Seite 83 von 120
LZ 4: Die Schüler und Schülerinnen können die Dimensionen unseres Sonnensystems mit
einfachen Worten wiedergeben.
Lernziele Raumfahrt
LZ 1: Die Schüler und Schülerinnen können den ersten Menschen am Mond benennen.
LZ 2: Die Schüler und Schülerinnen können vereinfacht die Funktionsweise einer Rakete
erklären.
LZ 3: Die Schüler und Schülerinnen können mit eigenen Worten erklären, warum (künstliche) Satelliten nicht vom Himmel fallen.
Im Unterricht wurde das Thema Masse, Trägheit und Gewichtskraft erarbeitet. Hier kann eine
Brücke zur Astronomie geschlagen werden:
1. Unterrichtseinheit
Zahlreiche Wege, wie die Mathematik, eigene Beobachtungen, Modelle oder auch Simulationen ermöglichen den Schülern und Schülerinnen, die Astronomie zu entdecken. An erster
Stelle sollte jedoch die „Pädagogik des Staunens“ stehen.95 Um den Unterschied zwischen
Masse und Gewichtskraft zu verdeutlichen, kann die Lehrkraft auf den Vergleich von Mond
und Erde mit folgendem Arbeitsblatt zurückgreifen:96
95
96
vgl. HARTMANN (2006): S. 20
Die Lösungen zu den Arbeitsblättern finden Sie im Anhang
Seite 84 von 120
Masse
Gewichtskraft
Die Masse ist eine Eigenschaft eines Körpers. Sie Die Gewichtskraft kennzeichnet die Wechselwirkung
ist nur von diesem Körper abhängig.
zwischen zwei Körpern. Sie ist von beiden Körpern
abhängig.
Die Masse bleibt überall gleich!
Die Gewichtskraft verändert sich!
Einheit der Masse ist ein Kilogramm
Einheit der Kraft ist ein Newton (1 N)
1 kg
= 100 dag
= 1000 g
1 N = ~ 100 g
10 N = ~ 1 kg
Das Urkilogramm:
1 l Wasser (bei +4 °C) = 1 dm³ = 1 kg
Die Masse eines Körpers ist überall gleich groß.
Die Gewichtskraft eines Körpers ist abhängig vom Ort,
an dem sich der Körper befindet.
120 kg
Der Mond hat nur 1/6 der Anziehungskraft der Erde!
Der Mond hat nur 1/6 der Anziehungskraft der Erde!
Messgerät für die Masse ist die Waage, wie
z. B. die ___________________
Messgerät für die Gewichtskraft ist der Kraftmesser /
die Federwaage.
F
Seite 85 von 120
Anschließend wird mit den Kindern das Leben der Astronauten im Weltall erkundet. Dazu
werden zuerst bunte Kärtchen in der Größe A6 an jeden Schüler bzw. jede Schülerin ausgeteilt. In Schlagworten schreibt nun jeder Schüler und jede Schülerin in Einzelarbeit mit großen Buchstaben was er/sie schon alles weiß auf die gelben Kärtchen. Auf die grünen Kärtchen
wird geschrieben, was sie wissen wollen, was sie interessiert. Danach bilden sie 4er Gruppen,
besprechen ihre Kärtchen und wählen die für sie interessantesten Themen aus. Um eine kommunikative Situation zu schaffen, werden die Sessel in einem Halbkreis aufgestellt, wobei die
Lehrkraft ebenfalls in diesem Halbkreis Platz nimmt. Diese Sitzform ist bei kommunikationsfreudigen Situationen sehr gut geeignet, da jeder jeden direkt sehen kann. Auch der Lehrer
bzw. die Lehrerin kann allen Schülern und Schülerinnen in die Augen schauen. Im Mittelpunkt stehen hier der Prozess des Denkens und das Thema. Der Lehrer/die Lehrerin wird Teil
der Lerngruppe.97 In einer Gesprächsrunde werden dann die Vorkenntnisse, Vorstellungen
und Interessen der Schüler und Schülerinnen zusammengetragen, indem die Kinder ihre Kärtchen präsentieren. Die Wissenskärtchen der Kinder werden auf der linken Hälfte der Tafel
platziert, die Wünsche auf der rechten Seite. Danach werden die Kärtchen von den Schülerinnen und Schülern strukturiert, indem sie diese in Themenblöcke zusammenfassen. Kritisches
Betrachten der einzelnen Behauptungen ist erwünscht. Es soll offen diskutiert werden. Wünsche und Fragen können so vielleicht gleich beantwortet werden, neue können auftauchen und
werden ebenfalls auf Kärtchen geschrieben und den Themenblöcken zugeordnet. In dieser
Unterrichtsphase können sich weitere Lernziele ergeben. Vorab kann die Lehrkraft jene Lernziele definieren, die unbedingt erreicht werden sollen (siehe oben). Die selbst definierten
Themenblöcke werden nun unter den Schüler- und Schülerinnengruppen selbständig für die
weitere Ausarbeitung aufgeteilt.
2. Unterrichtseinheit
Die zweite Unterrichtseinheit dient vor allem der Recherche. Dafür können die Kinder in die
Schulbibliothek gehen, das Internet verwenden oder von der Lehrkraft vorgefertigte Dokumente zur Verfügung gestellt bekommen.98 So wird jede Gruppe zu einer Expertengruppe
für ein bestimmtes Thema. Der Lehrer/Die Lehrerin fungiert als Lernbegleiter 99 . Nach
30 Minuten berichtet jede Expertengruppe ihren Mitschülern und Mitschülerinnen von ihren
Erkenntnissen. Dabei sollen sie jedoch nicht nur ein Referat abhalten, sondern die Schüler
97
vgl. GEHRKE (2008); GREDLER (o.J.); LARBIG (2011)
vgl. HARTMANN (2006): S. 43 ff
99
KAHL (2011): S. 78
98
Seite 86 von 120
und Schülerinnen der Klasse einbinden, indem sie z.B. Fragen stellen oder kleine Aufgaben
verteilen. So werden Lernende zu Lehrenden.100
3. Unterrichtseinheit
Eine Studie von Cornelia Sommer „Wie Grundschüler sich die Erde im Weltall vorstellen –
eine Untersuchung von Schülervorstellungen“ ergab, dass Computersimulationen das räumliche Vorstellungsvermögen der Schüler und Schülerinnen positiv beeinflussen. Dreidimensionale Darstellungen tragen dazu bei, das wissenschaftlich anerkannte Bild unserer Erde im
Weltall zu festigen. Das Bemerkenswerte ist, dass bereits eine kurze Beschäftigungsdauer
ausreicht.101 Die Schüler und Schülerinnen könnten die Planeten unseres Sonnensystems mit
dem Prinzip des flipped classroom entdecken. Bei diesem Prinzip soll das Medium Internet
die Schüler und Schülerinnen unterstützen, wodurch der Lehrkraft mehr Zeit für Interaktion
mit den Schülern bzw. Schülerinnen bleibt, als für das Lehren aufgebracht werden muss. Die
Unterrichtsstunde findet demnach bei den Schülern und Schülerinnen zu Hause statt, indem
sie sich kurze, von der Lehrkraft vorbereitete Videos zum Thema anschauen. Beispiele für
solche Videos bietet die Khan Academy unter https://www.khanacademy.org/. So kann z.B.
unter Science & Economics/Cosmology and astronomy über die Größe der Erde und der Sonne gelernt werden.102
Das Prinzip des flipped classroom gibt es bereits seit einigen Jahrzehnten, jedoch hat Sal
Khan dieses Unterrichtskonzept in den letzten Jahren sehr populär gemacht. Mit Hilfe von
Bill and Melinda Gates Foundation und Google gründete Khan im Jahr 2009 eine gemeinnützige Organisation, die Khan Academy, welche das Ziel hat, die Schulbildung für alle Menschen im gleichen Maße frei zugänglich zu machen.103 Die Khan Academy kann mittlerweile
mit zehn Millionen Studenten die größte Studentenanzahl weltweit vorweisen.104 Die Khan
Academy wird bereits in 15 000 Klassen weltweit und in amerikanischen Pilotschulen im Unterricht integriert.105
100
vgl. KAHL (2011): S. 78 ff
vgl. MÜLLER (2011): S. 100 ff
102
vgl. KHANACADEMY (2013)
103
vgl. MCCRACKEN (2011)
104
vgl. NOER (2012)
105
vgl. KHANACADEMY (2013)
101
Seite 87 von 120
Der Vorteil liegt darin, dass die Schüler und Schülerinnen individuell auf ihr Lerntempo eingehen können. Ein Videoclip sollte nur wenige Minuten dauern, sodass der Aufwand für den
Schüler bzw. die Schülerin in einem angemessenen Rahmen bleibt. Treten Fragen auf, so unterstützen sich die Schüler und Schülerinnen gegenseitig bzw. werden diese am Anfang der
nächsten Stunde gemeinsam gelöst. Die „Hausübung“ kann dann - basierend auf dem Wissen,
das die Schüler und Schülerinnen zu Hause erlangt haben - in der Schule gemacht werden
(daher der Ausdruck flipped). Somit kann der Lehrer bzw. die Lehrerin seine/ihre Schüler und
Schülerinnen beim Üben unterstützen und auf individuelle Probleme und Fragen eingehen.106
Um eine Unterrichtsstunde nach dem Prinzip des flipped classroom gestalten zu können, muss
den Kindern am Ende der 2. Unterrichtseinheit das Filmmaterial gegeben bzw. der Link mitgeteilt werden, unter welchem sie das kurze Video anschauen können. Ein Beispiel für so ein
Video kann unter https://www.khanacademy.org/science/cosmology-and-astronomy/universescale-topic/scale-earth-galaxy-tutorial/v/scale-of-earth-and--sun angesehen werden.
In der dritten Unterrichtseinheit wird nun das Verständnis überprüft und vertieft, indem die
Schüler und Schülerinnen die ihnen gestellten Aufgaben selbständig ausarbeiten. Zusätzliche
Informationen können die Schüler und Schülerinnen eigenständig im Internet recherchieren.
Die Lehrkraft steht im gegebenen Fall beratend zur Seite. Gegen Ende der Stunde werden die
Ergebnisse gemeinsam besprochen und die notwendigen Materialien für die Präsentation des
Sonnensystems in der nächsten Unterrichtseinheit erörtert.
4. Unterrichtseinheit
In der vierten Unterrichtseinheit werden Plakate gestaltet und Modelle gebaut. Fächerübergreifend kann das Gestalten der Plakate und der Modellbau auch in dem Unterrichtsfach Bildnerische Erziehung stattfinden. Abschließend präsentiert jede Gruppe ihre Ergebnisse und
versucht, ihr erworbenes Wissen allen anderen anschaulich und eindrucksvoll zu vermitteln.
106
vgl. OVERMYER (o.J.)
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Der Maßstab unseres Sonnensystems
Sonne vs. Erde / Wiederholung
Nr.
Problemstellung
1
Ein Jet legt in einer Sekunde 280m zurück. Wie
groß ist seine Geschwindigkeit in km/h?
2
Wie groß ist der Erdumfang?
3
Wie groß ist der Umfang der Sonne?
4
Um das Wievielfache Volumen ist die Sonne
größer als die Erde?
5
Wie lange ist unser Jet unterwegs wenn er die
Erde am Äquator umrundet?
107
Lösungsweg
In diesem Feld kann sich der Schüler bzw. die Schülerinnen Notizen machen
Seite 89 von 120
Lösung
Anm.107
Nr.
Problemstellung
6
Wie lange braucht unser Jet um den Äquator
der Sonne (angegeben in Monaten)?
7
Wie weit ist die Erde von der Sonne entfernt?
8
Wie wird diese Entfernung genannt?
9
Wie lange braucht ein Sonnenstrahl, bis er die
Erde erreicht hat?
10
Wie lange braucht unser Jet von der Erde zur
Sonne?
Lösungsweg
Unser Sonnensystem
11
Ist der Mars größer oder kleiner als die Erde?
12
Welcher Planet unseres Sonnensystems hat den
größten Umfang?
Seite 90 von 120
Lösung
Anm.
Nr.
13
Problemstellung
Lösungsweg
Lösungsweg für Maßstab:
Lösung
Anm.
Lösungsweg
Größe
(in cm)
Wenn die Erde mit einer 1 cm großen Kugel dargestellt wird, wie groß sind dann unsere Sonne
und die anderen Planeten unseres Sonnensystems? Schreibe die Planeten in der Reihenfolge
ihres Abstandes zur Sonne auf, beginne mit der
Sonne.
Planet
Umfang gerundet (in km)
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Planet
Umfang gerundet (in km)
Lösungsweg für Maßstab:
14
In welchem Abstand müssten wir unsere Planetenmodelle anbringen, wenn die Erde 1 m von
der Sonne entfernt ist?
Seite 92 von 120
Lösungsweg
Größe
(in cm)
Planet
Abstand zur Sonne (in AE)
gerundet
Seite 93 von 120
Lösungsweg
Abstand
(in cm)
Wenn die Möglichkeit besteht, Planeten nun auch zu beobachten, so sollte der Lehrer/die
Lehrerin diesem Weg auf jeden Fall Berücksichtigung schenken, weil das für die Kinder
spannend ist. Die Theorie wird mit dem Erlebten verbunden und das Wissen um unser Sonnensystem vertieft. Planeten können mit bloßem Auge, mit Teleskopen oder in einem Planetarium erkundet werden. 108 Die Schüler und Schülerinnen können z.B. Skizzen der Mondkrater
anfertigen, welche dann verglichen werden, wenn die Entstehung dieser näher besprochen
wird.109
108
109
vgl. HARTMANN (2006): S. 54 ff
vgl. HARTMANN (2006): S. 60
Seite 94 von 120
8.
Zusammenfassung
Mit der Absicht die Interessenorientierung zur Motivationsförderung zu nutzen, wurden verschiedene Analysen sowie Unterrichtsmodelle erstellt. Um den Rahmen der Arbeit nicht zu
sprengen, lag der Fokus auf sechs spezifischen Themenbereichen der Astronomie. Diese wurden auf Schüler- und Schülerinneninteresse, Vorkommen in Physik-Schulbüchern sowie Verankerungen im Lehrplan der Neuen Mittelschule untersucht. Für diese Themen wurden im
letzten Teil der Arbeit Unterrichtskonzepte für die Sekundarstufe I erarbeitet.
Die erste Hypothese „Es wird angenommen, dass Schüler und Schülerinnen der
Sekundarstufe I (5. bis 8. Schulstufe) ein großes Interesse an astronomischen Themen zeigen“, wird durch die Auswertung des Schüler-/Schülerinnenfragebogens bestätigt. Das Ergebnis zeigt, dass das Interesse an astronomischen Themen sehr ausgeprägt ist. Durch die
Lehrplananalyse der Neuen Mittelschule konnte auch die zweite Hypothese „Es wird angenommen, dass Teilbereiche der Astronomie laufend in jeder Schulstufe der Sekundarstufe I
einfließen können“, bestätigt werden. Es wurde aufgezeigt, in welchen Themengebieten der
Physik die Astronomie Platz finden kann. Die Leitidee der Arbeit, die Interessensorientierung
zur Motivationsförderung zu nutzen, kann demnach mit dem ausgearbeiteten Unterrichtskonzept realisiert werden. So wird die Astronomie vom „Randthema“ zum ständigen Begleiter
und Motivator.
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Fernrohr
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des Zugriffs: 25.11.2012)
WIKIPEDIA die freie Enzyklopädie (2012e, November 19) Absorption (Physik) URL:
http://de.wikipedia.org/wiki/Absorption_%28Physik%29 (Datum des Zugriffs: 25.11.2012)
WIKIPEDIA die freie Enzyklopädie (2012g, November 16) Heinrich Louis d’Arrest URL:
http://de.wikipedia.org/wiki/Heinrich_Louis_d%E2%80%99Arrest (Datum des Zugriffs:
27.11.2012)
WIKIPEDIA die freie Enzyklopädie (2013, Jänner 19) Spektralfarbe URL:
http://de.wikipedia.org/wiki/Spektralfarbe (Datum des Zugriffs: 27.1.2013)
WILLER, DR. JÖRG (2003): Didaktik des Physikunterrichts. Frankfurt am Main: Wissenschaftlicher Verlag Harri Deutsch GmbH
WINKELBAUER,
Wolfgang
(o.J.a)
Einziger
Planet
mit
Leben
URL:http://www.wissenswertes.at/index.php?id=erde-fakten (Datum des Zugriffs:
3.11.2012)
WINKELBAUER,
Wolfgang
(o.J.b)
Heiße
Quelle
des
Lebens
URL:http://www.wissenswertes.at/index.php?id=sonnensystem-sonne (Datum des Zugriffs: 8.11.2012)
WINKELBAUER,
Wolfgang
(o.J.c)
Fakten
zum
Planeten
Venus
URL:
http://www.wissenswertes.at/index.php?id=venus-fakten
(Datum
des
Zugriffs:
14.11.2012)
Seite 103 von 120
Anhang
Begriffserklärungen110
Linsen
Wie eine Linse wirkt, hängt von dem Verlauf der Linsendicke ab. So können Sammellinsen (oder konvexe Linsen) daran erkannt werden, dass sie in der Mitte dicker sind als am Rand. Zerstreuungslinsen
(oder konkave Linsen) sind in der Mitte dünner als am Rand.
Hier ist eine Darstellung von Linsen, schaffen wir es diese gemeinsam zu benennen?
Linsenformen
konvex:
konkav:
plan:
die Oberfläche ist nach Außen gewölbt
die Oberfläche ist nach Innen gewölbt
die Oberfläche ist eben
konkave Linsen ODER
konvexe Linsen ODER
Sammellinse
bikonvex
Zerstreuungslinse
plankonvex
110
plankonkav
konkavkonvex
bikonkav
vgl. STEINDL (1999a); LICHTSCHEIDL (o.J.a-d)
Seite 104 von 120
konvexkonkav
Weißt du noch?
Was ist die Brennweite? Die Brennweite ist der Abstand zwischen Linsenmitte und Brennpunkt.
Was ist der Brennpunkt? Der Brennpunkt ist der Punkt, in dem sich die Lichtstrahlen wieder sammeln.
Reflexionsgesetz
Wie lautet das Reflexionsgesetz? Der Einfallswinkel
ist gleich groß wie der Ausfallswinkel
eines Lichtstrahls, der auf die Ebene auftrifft
des reflektierten Lichtstrahls.________________________
Zeichne den reflektieren Lichtstrahl ein und benenne die fehlenden Größen:
Lot
Einfallender Lichtstrahl
Reflektierter Lichtstrahl
Einfallswinkel
Ausfallswinkel
Hohlspiegel
Ein Hohlspiegel ist ein Spiegel, der nach innen gewölbt ist. Der Spiegel reflektiert die Strahlen nach
dem Reflexionsgesetz. Die reflektierten Strahlen laufen im Brennpunkt zusammen. Daher ergibt sich
folgendes Bild für die parallel eintreffenden Sonnenstrahlen (zeichne den Verlauf der Strahlen mit
Pfeilen ein und benenne den Punkt!)
Hohlspiegel
Lichtquelle
Brennpunkt
Seite 105 von 120
Forschungsauftrag
Euch stehen eine Wärmelampe, ein Globus und ein Digital-Thermometer zur Verfügung. Wie
könnt ihr herausfinden, welche Faktoren den Anstieg oder Abfall der Temperatur beeinflussen?
Skizziere euren Versuch:
Was kannst du beobachten?
An der nicht beleuchteten Seite des Globus (also an der Schattenseite oder Nachtseite) ist eine niedrigere Temperatur als an der beleuchteten (also Tagseite) Seite des Globus. An den Polen ist es kühler
(dort treffen die Strahlen schräg auf) als am Äquator, wo die Strahlen steil auftreffen. Wenn ich den
Globus drehe, kann ich auf der Schattenseite einen Temperaturabfall messen (oder auch mit der Hand
spüren).
Was sind deine/eure Erkenntnisse?
Die Lampe stellt die Sonne dar. Weil unsere Erde wie eine Kugel aussieht, treffen die Sonnenstrahlen
mit unterschiedlichen Winkeln auf die Erdoberfläche. Treffen die Sonnenstrahlen steil auf die Erdoberfläche (wie am Äquator), dann erhitzt sich die Erde stärker als an den Polen der Erde, wo die Sonnenstrahlen abgeflacht auftreffen. Die Sonnenstrahlen die steil auf die Erde treffen, sind auf eine kleinere
Fläche konzentriert als jene von den Polen.
Für die Entstehung der Jahreszeiten bedeutet das:
Sommer
Winter
Sonnenstrahlen
Seite 106 von 120
What do we need light for?
The sun sends light and heat with its sunrays to the earth. The sunrays incident on the surface of objects and reflect in the rules of the law of reflection. We can see those objects if
the reflected light meets our eyes.
It is not clever to look directly into the sun – you would be blind within a short time. However its rays are vital for animals, plants and humans. Plants fade if they do not get enough
sunlight. This is because they need the energy to stay alive. But also too much sun is harmful. If you are in the sun without any protection (like cream, hat, clothes) you get a sunburn.
That means you need to find a healthy proportion of direct sunlight.
Draw the way of a sunray (with an arrow). When you think you are done compare your draft
with your partner and then show it to your teacher:
sun
object
Which sources of light do you know? Compete (together with your partner) with another
couple. Which team finds more sources of light in 1 minute?
Examples are: bulb, candle, campfire, lightning, diode
Good to know: The artificial light produced by the humans on earth is that bright that it can
be seen out in space!
Seite 107 von 120
The sunlight111
The total frequency spectrum of radiation is called the sunlight which is white and includes
the spectral colours red, orange, yellow, green,
blue and purple. We can see those colours if
we send the white light through a prism (as you
see on the picture). Due to the different wavelengths of the light the dispersion is different:
The blue light has a shorter wavelength than
the red light.
The wavelengths of the light
A wavelength is the distance from any two points with the same phase (e.g. the crest of a
wave). 1nm = 0,000000001m
700nm
470nm
Was ist der Unterschied zwischen dem roten und dem blauen Licht? Das rote Licht hat längere Wellen als das blaue Licht.
Welche Farbe wird am stärksten gebrochen? Das blaue Licht wird stärker gebrochen als das
rote.
111
vgl. WIKIPEDIA (2013)
Seite 108 von 120
Warum ist der Himmel blau?
blau?
Schaue dir das Video an, in dem erklärt wird, warum der Himmel blau ist und beantworte
folgende Fragen:
1.) Welche Farbe hat das Sonnenlicht für uns? weiß
2.) Aus welchen Farben setzt sich das Sonnenlicht zusammen? rot, orange, gelb, grün, blau,
violett
3.) Was passiert, wenn das Licht auf ein Teilchen trifft? es wird gestreut
4.) Warum wird das blaue Licht eher gestreut als das rote Licht? Weil das rote Licht langwelliger ist, ist die Wahrscheinlichkeit, dass es auf ein Molekül (und somit gebrochen wird)
trifft geringer. Somit wird vor allem das blaue Licht gestreut und für uns sichtbar.
Erkläre stichwortartig, warum der Himmel abends eine rötliche Färbung hat:
flacherer Einfallswinkel der Sonnenstrahlen; mehr Möglichkeiten für das langwellige rote und
orange Licht auf Moleküle zu stoßen; auch das rote Licht wird gebrochen, aber später, daher
sehen wir vor allem das rote und gelbe Licht.
Skizziere deine Begründung:
Sonnenstrahlen
Erde mit
Atmosphäre
Welche Faktoren beeinflussen die Himmelsfarbe?
1. Wellenlänge
2. Die Moleküle (Teilchen) der Atmosphäre
3. Einfallswinkel der Sonnenstrahlen
Welcher Fehler ist dir im Video aufgefallen? Der Wellenabstand ist immer zwischen zwei
gleichen Phasen, also z.B. zwischen zwei Wellenhügel.
Seite 109 von 120
Warum ist der Himmel blau?
blau?
Ein Experiment112
Nun wollen wir aber wissen, ob das auch stimmt was wir gerade im Video gesehen haben.
Dafür braucht ihr:
-
1 Glaswanne
-
etwas Milch
-
Wasser
-
Taschenlampe
Füllt die Wanne mit Wasser und etwas Milch, so dass eine trübe Flüssigkeit entsteht. Die
Flüssigkeit stellt nun die Atmosphäre dar, wobei die kleinen Fettpartikel der Milch die Moleküle sind. Nun durchleuchtet die Flüssigkeit von verschiedensten Winkeln. Was könnt ihr
beobachten?
Skizze
Die beiden wichtigsten Beobachtungen sind:
Beobachtung
das Licht wirkt bläulich
Erkenntnis
steiler Einfallswinkel, kurzer
Weg durch die „Atmosphäre“,
blaue Licht wird gestreut
von oben, steil
von der Seite flach; Beobachter gelblich
sieht in Richtung Lampe
112
vgl. EXPERIMENTIS (2011)
Seite 110 von 120
flacher Einfallswinkel, langer
Weg durch die „Atmosphäre“,
auch das rote Licht wird gestreut
Wie entsteht ein Regenbogen?
Überlegt gemeinsam, wann ihr schon einmal einen Regenbogen gesehen habt. Dann schreibe auf, welche Faktoren wichtig sein könnten: ________________________________________
__________________________________________________________________________________
Schaut euch das Video an, wie ein Regenbogen entsteht.
Nun versucht euch zu erinnern, wann ihr einen Regenbogen sehen könnt und zeichnet davon eine Skizze. Wenn ihr es noch nicht schafft, schaut euch das Video noch einmal an und
zeichnet die Skizze dann.
Was geschieht genau? Erkläre den Vorgang mit eigenen Worten:
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
__________________________________________________________________________________
Unter welchem Winkel kann man den Regenbogen sehen? bei 42 °
Seite 111 von 120
Wer weiß die Lösung?113
Warum können durch Glasscherben Waldbrände verursacht werden?
Glasscherben wirken wie Sammellinsen. Am Brennpunkt ist die Hitze der gebündelten Sonnenstrahlen sehr groß, wodurch ein Feuer entstehen kann.
Kannst du die Funktionsweise einer Kanonenuhr mit Hilfe dieses Bildes erklären?
Die Kanonenuhr wurde von Rousseau erfunden. Die erste dieser Art wurde in Paris im Palais
Royal aufgestellt. Diese Uhr war im 18. Jahrhundert sehr beliebt. Aber warum nur?
Die Sammellinse erhitzt ein Schießpulver und gibt dann – richtig eingestellt – zur Mittagszeit
einen lauten Knall von sich.
113
vgl. GRESSMANN et al. (2007): S. 170
Seite 112 von 120
Ein treffsicherer Fisch114
Name:
Spritzfisch oder Schützenfisch
Klassifizierung: Wirbeltier, barschartiger Fisch
Alter:
~ 11 Jahre
Länge:
bis 20 cm
Nahrung:
vor allem Insekten
Lebensraum:
Küstennähe; vor allem flache Gewässer bei Wassertemperaturen um 25 °C
Wegen seines außergewöhnlichen Jagdverhaltens bekam der Fisch den Namen Schützenfisch. Da der
Fisch am liebsten lebendige Insekten verspeist, und diese an Land leben, entwickelte der Schützenfisch eine besondere Jagdtechnik: Er schwimmt knapp unter der Wasseroberfläche, wo er in aller
Ruhe nach seiner Nahrung Ausschau halten kann. Sobald er ein Insekt entdeckt stellt er sich fast
senkrecht im Wasser auf. Er kann die Entfernung und Lage des Insekts genau einschätzen. Das ist gar
nicht so einfach, denn du musst die Brechung des Lichts wenn es auf die Wasseroberfläche auftritt
und dann in das Medium Wasser eintritt berücksichtigen! Der Fisch hat jetzt also sein Maul knapp
über die Wasseroberfläche gebracht. Er hat die aufrechte Position eingenommen und drückt nun
seine Zunge an seinen oberen Gaumen. Dadurch presst er seine Kiemendeckel ruckartig zusammen,
wodurch aus seinem Maul ein Wasserstrahl kommt, der exakt positioniert und dosiert ist. Das Insekt,
das vom Wasserstrahl getroffen wird, verliert sein Gleichgewicht und stürzt in das Wasser, wo sich
der Fisch seine Beute leicht schnappen kann.
Ein Schützenfisch kann diesen Wasserstrahl bis zu 4 Meter weit schießen! Auch die Wassermenge
des Strahls kann er der Größe des Insekts anpassen, wodurch der Fisch keine wertvolle Energie verschwendet.
Warum ist es für den Schützenfisch so schwierig, seine Beute genau zu treffen?
Der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel sind nicht gleich groß, da der Lichtstrahl von der Luft (weniger dichtes Medium) ins Wasser (dichteres Medium) trifft.
Wenn du die Antwort nicht weißt, kannst du im Internet recherchieren. Dieser Link könnte dir helfen:
http://www.tk-logo.de/cms/beitrag/10005144/203976/2
114
vgl. GRESSMANN, JOHN, KARAU (2007): S. 140
Seite 113 von 120
Die Mondfinsternis115
Da der Mond selbst kein Licht ausstrahlt können wir ihn nur sehen, wenn er das Sonnenlicht zur Erde
reflektiert. Bei einer Mondfinsternis ist der Mond im Schatten der Erde. Die Himmelskörper Sonne,
Mond und Erde stehen in folgender Konstellation (zeichne auch die Schattenarten ein):
Halbschatten
Kernschatten
Halbschatten
Die Sonnenfinsternis
Steht der Mond so zwischen Sonne und Erde, dass er die Sonne verdeckt, dann können wir eine Sonnenfinsternis beobachten. Die Himmelskörper Sonne, Mond und Erde stehen in folgender Konstellation (zeichne auch die Schattenarten ein):
Kernschatten
Halbschatten
115
vgl. HERRMANN, SCHWARZ (2001): S. 126 ff
Seite 114 von 120
Masse
Gewichtskraft
Die Masse ist eine Eigenschaft eines Körpers. Sie Die Gewichtskraft kennzeichnet die Wechselwirkung
ist nur von diesem Körper abhängig.
zwischen zwei Körpern. Sie ist von beiden Körpern
abhängig.
Die Masse bleibt überall gleich!
Die Gewichtskraft verändert sich!
Einheit der Masse ist ein Kilogramm
Einheit der Kraft ist ein Newton (1 N)
1 kg
= 100 dag
= 1000 g
1 N = 102 g
10 N = 1 kg
Das Urkilogramm:
1 l (bei +4 °C) = 1 dm³ = 1 kg
Die Masse eines Körpers ist überall gleich groß.
Die Gewichtskraft eines Körpers ist abhängig vom Ort,
an dem sich der Körper befindet.
100 g
1N
1/6 N
100 g
1 200 N
120 kg
200 N
120 kg
Der Mond hat nur 1/6 der Anziehungskraft der Erde!
Der Mond hat nur 1/6 der Anziehungskraft der Erde!
Messgerät für die Masse ist die Waage, wie
z. B. die Balkenwaage.
Messgerät für die Gewichtskraft ist der Kraftmesser /
Federwaage.
F
Seite 115 von 120
Der Maßstab unseres Sonnensystems
Sonne vs. Erde / Wiederholung
Nr.
Problemstellung
Ein Jet legt in einer Sekunde 280m zurück. Wie
groß ist seine Geschwindigkeit in km/h?
1
2
3
Wie groß ist der Erdumfang?
Wie groß ist der Umfang der Sonne?
Um das Wievielfache Volumen ist die Sonne
größer als die Erde?
4
5
Wie lange ist unser Jet unterwegs wenn er die
Erde am Äquator umrundet?
6
Wie lange braucht unser Jet um den Äquator
der Sonne (angegeben in Monaten)?
7
8
Lösung
1 h = 3 600 s
280m*3 600s=1 008 000m/h=
1 008 km/h
~ 1 000 km/h
40 000 km
4 379 000 km
4 379 000 / 40 000 = 109,475
1 000 km ………………………………1h
40 000 km………………………………x h
x = 40 000/1 000 = 40 h
40 h (der Erde) * 100 = 4 000 h
4 000 h / 24 h = 166,66 d
166,66 d / 30 = ~ 6 Monate
Wie weit ist die Erde von der Sonne entfernt?
Wie wird diese Entfernung genannt?
Wie lange braucht ein Sonnenstrahl, bis er die
Erde erreicht hat?
9
10
116
Lösungsweg
Wie lange braucht unser Jet von der Erde zur
Sonne?
um etwa das 100 fache
40 h
~ 6 Monate
150 000 000 km
Astronomische Einheit (AE)
~ 8 min
Zeit = Weg/Geschwindigkeit (t = s/v)
t = 150 000 000 km/1 000 km/h
t = 150 000 h
/ : 24
t = 6 250 d
/ : 365
t = ~ 17 Jahre
In diesem Feld kann sich der Schüler bzw. die Schülerin Notizen machen
Seite 116 von 120
~ 17 Jahre
Anmerkungen116
Unser Sonnensystem
11
Ist der Mars größer oder kleiner als die Erde?
12
Welcher Planet unseres Sonnensystems hat den
größten Umfang?
13
Wenn die Erde mit einer 1 cm großen Kugel dargestellt wird, wie groß sind dann unsere Sonne
und die anderen Planeten unseres Sonnensystems? Schreibe die Planeten in der Reihenfolge
ihres Abstandes zur Sonne auf, beginne mit der
Sonne.
Umfang Mars: 21 344 km
Umfang Erde: 40 000 km
Der Mars ist etwa halb so groß
wie die Erde
Jupiter mit ~ 450 000 km; er ist
etwa 10 mal so groß wie die
Erde
Lösungsweg für Maßstab:
Umfang Erde: 40 000 km * 1 000 = 40 000 000 m * 100 =
4 000 000 000 cm
Somit ist der Maßstab 1 : 4 000 000 000
Planet
Umfang gerundet (in km)
Sonne
4 000 000
Merkur
15 000
Venus
38 000
Erde
40 000
Mars
21 000
Jupiter
450 000
Saturn
380 000
Uranus
160 000
Seite 117 von 120
Lösungsweg
400000000000
4000000000
ß
1500000000
=
4000000000
ß
3800000000
=
4000000000
ß
4000000000
=
4000000000
ß
2100000000
=
4000000000
ß
45000000000
=
4000000000
ß
38000000000
=
4000000000
ß
16000000000
=
4000000000
ß
=
Größe
(in cm)
100
0,375
0,95
1
0,525
11,25
9,5
4
14
Neptun
155 000
Pluto (Zwergplanet)
7 000
In welchem Abstand müssten wir unsere Planetenmodelle anbringen, wenn die Erde 1 m von
der Sonne entfernt ist?
Planet
Lösungsweg für Maßstab:
Abstand Sonne : Erde = 1 AE
Somit entspricht 1 AE = 1 m oder
1 AE = 100 cm
Abstand zur Sonne (in AE)
gerundet
15500000000
4000000000
ß
700000000
=
4000000000
ß
=
Lösungsweg
3,875
0,175
Abstand
(in cm)
Sonne
Merkur
0,4
Venus
Erde
Mars
Jupiter
Saturn
Uranus
Neptun
Pluto (Zwergplanet)
0,7
1
1,5
5
9,5
19
30
39
Seite 118 von 120
1 AE = 100 cm
0,4 AE = 100*0,4
0,7 AE = 100*0,7
1 AE = 100 cm
1,5 AE = 100*1,5
5 AE = 100*5
9,5 AE = 100*9,5
19 AE = 100*19
30 AE = 100*30
39 AE = 100*39
40
70
100
150
500
950
1 900
3 000
3 900
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29.1.2013
18:15
77,
111
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mingbird_flying_under_a_rainbow_0515-1102-2016-2002.html
29.1.2013
18:16
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74, 75,
77
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_pointer_0521-1005-1515-3822.html
29.1.2013
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112
http://www.schule-otterfing.de/index.php?file=artikel/showartikel.php&art_id=203
27.1.2013
20:52
72,
108
http://de.wikipedia.org/wiki/Spektralfarbe
27.1.2013
18:37
111
http://www.acclaimclipart.com/free_clipart_images/gender_symbols_of_man_and_woman_holding_hands_0071
-0904-3007-4024.html
29.1.2013
19:00
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http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Porro_binocular.jpg
31.1.2013
20:32
Alle weiteren Bilder und Grafiken stammen aus dem Privatarchiv.
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Eigenhändig unterfertigte Erklärung
„Ich erkläre, dass ich die vorliegende Bachelorarbeit selbst verfasst habe und dass ich dazu
keine anderen als die angeführten Behelfe verwendet habe. Außerdem habe ich die Reinschrift der Bachelorarbeit einer Korrektur unterzogen und ein Exemplar verwahrt.“
Unterschrift
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