Außen- und Innensicht

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1 Der Lauf der Sonne über den Himmel Anregungen zu gemeinsamen Beobachtungen an der Sonne und den von ihr erzeugten Schatten U. Backhaus und S. Struzyna, Universität Duisburg-Essen Die Sonne und ihr täglicher Lauf über Himmel sind für uns immer sichtbar und erfahrbar. Die Sonne bringt uns täglich Licht und Schatten und wir fühlen ihre Wärme auf der Haut. Und doch schauen auch wir Erwachsenen meistens nicht genau hin und nehmen die Vorgänge nicht bewusst wahr. Dabei drängt sich die Sonne, als selbstverständlicher und gut zu beobachtender Teil der Lebenswelt der Kinder, als Thema für den Sachunterricht geradezu auf. Wir sollten dieses Phänomen nutzen, um bei den Kindern ein Bewusstsein für die sie umgebende Welt zu schaffen und sie zu genauem Beobachten anzuregen. Damit können wir sie an einen wichtigen Teil wissenschaftlichen Arbeitens heranführen, das bereits in der Grundschule gefördert werden soll. Außen- und Innensicht Die Beobachtungen, die man an der Sonne machen kann, beruhen auf der täglichen Rotation der Erde, auf ihrem jährlichen Umlauf der Erde um die Sonne und auf dem Umstand, dass die Rotationsachse der Erde immer in dieselbe Richtung zeigt. Abb. 1: Blick von außen auf die Rotation der Erde und ihren Umlauf um die Sonne Dieses moderne astronomische Wissen über das Aussehen der Vorgänge aus der Perspektive eines außerirdischen Beobachters ( Außensicht ) führt dazu, die Beobachtungen, die man von der Erde aus machen kann ( Innensicht ), als nur scheinbar abzutun und sie durch voreilige Erzählungen zu ersetzen, wie es wirklich ist. Dadurch entsteht die Gefahr, dass eigene Beobachtungen vernachlässigt werden und Kinder lernen, den eigenen Beobachtungen zu misstrauen. Dabei muss es doch gerade umgekehrt sein: Wie es wirklich ist, haben die Menschen nur aus langfristigen und aufmerksamen Beobachtungen erschließen können; und der Schluss von den Beobachtungen auf die Realität war und ist schwierig. Selbst für Menschen, die die Vorgänge am Himmel aufmerksam beobachten und mit ihrer modernen Erklärung vertraut sind, ist es schwierig, eine aktuelle eigene Beobachtung ( von innen ) in die zugehörige Außensicht zu übersetzen oder umgekehrt aus einem von außen

2 ( heliozentrisch 1 ) beschriebenen Vorgang auf die daraus sich ergebenden irdischen Beobachtungen zu schließen. Ziele der Unterrichtseinheit In der Grundschule muss es vorrangig darum gehen, die Kinder dazu anzuregen, ihre Umwelt genau zu beobachten und Verbindungen zwischen diesen Beobachtungen herzustellen. Voraussetzung dafür ist zunächst, dass Kinder lernen, ihren eigenen Beobachtungen zu trauen und sie ernst zu nehmen, den Ehrgeiz zu wecken, selbst heraus zu finden, wie etwas funktioniert, und nicht vorschnell erzählt zu bekommen, was andere Menschen ( kluge alte Männer ) darüber herausgefunden haben. In diesem Sinne geht es in diesem Aufsatz in erster Linie um Anregungen zu eigenen Beobachtungen. Erklärungen durch die Beschreibung der Vorgänge von außen treten dagegen zurück. Dahinter steht die Erfahrung, dass es nicht nur Kindern, sondern auch den meisten Erwachsenen sehr schwer fällt, die Beschreibung der Vorgänge aus der Außensicht mit den eigenen Erfahrungen zu verknüpfen. Trotzdem steht die außerirdische Sichtweise in den meisten Schulbüchern und populärwissenschaftlichen Büchern im Vordergrund. Die wichtigsten Ziele des folgend skizzierten Unterrichts sind: Die Erweiterung der bewussten Wahrnehmung ihrer Umwelt bei den Kindern. Die Erweiterung ihrer naturwissenschaftlichen Methodenkompetenzen hinsichtlich Beobachten, Dokumentieren und Vergleichen. Die Verbesserung der Problemlösekompetenz der Kinder. Das eigenständige Erfahren und Erkennen der Regelhaftigkeit des Sonnenlaufes und seiner Veränderungen über das Jahr. Verstehen des Zusammenhanges zwischen der Veränderung von Schatten auf der Erde und dem Lauf der Sonne über den Himmel. Sonnenlauf und Himmelsrichtungen Bevor wir zu den konkreten Unterrichtsvorschlägen kommen, noch ein Hinweis zur Sicherheit: Es ist äußerst gefährlich, mit einem Fernglas in die Sonne zu sehen. Sofortige Erblindung kann die Folge sein! Allerdings werden die Kinder bei den im Folgenden beschriebenen Beobachtungen kaum auf die Idee kommen, ein Fernglas zu benutzen. Auch mit bloßen Augen soll man nicht direkt in die Sonne sehen. Das ist aber auch nahezu unmöglich. Da bei diesen Beobachtungen genauer als sonst auf die Sonne geachtet und in ihre Richtung gesehen wird, ist es trotzdem ratsam, eine Sonnenbrille aufzusetzen. Die zu beobachtenden Vorgänge am Himmel laufen sehr langsam ab: Bereits der tägliche Sonnenlauf lässt sich nicht als Bewegung wahrnehmen, bei den jahreszeitlichen Veränderungen ist das erst recht unmöglich. Daher ist es nicht sinnvoll, sich die Sonne über einen längeren Zeitraum am Stück anzusehen. Besser ist es, die Positionen der Sonne in regelmäßigen Abständen von 1-2 Stunden zu beobachten. Der aktuelle Sonnenstand muss dann mit vergangenen Positionen verglichen werden aus dem Gedächtnis oder mit Hilfe von Aufzeichnungen und Fotos. Um die Regelhaftigkeit des Sonnenlaufes zu erkennen ist es wichtig, diese Beobachtungen an mehreren dicht aufeinander folgenden Tagen zu wiederholen. Nur so ist es möglich wahrzunehmen, dass die Sonne ihren höchstens Stand 1 Als heliozentrisch bezeichnet man eine Beschreibung, bei der die Sonne im Mittelpunkt feststeht. Das Gegenteil dazu ist die geozentrische Beschreibung, bei der die Erde als ruhend betrachtet wird. Unsere Innensicht ist eher egozentrisch als geozentisch, weil nicht die Erde, sondern der Beobachter selbst im Mittelpunkt der Beschreibung steht.

3 immer mittags im Süden erreicht und dass sie jeden Tag vom östlichen Horizont über Süden zum westlichen Horizont wandert. Zur Dokumentation kann man den Kindern ein Arbeitsblatt an die Hand geben, auf welchem bereits der Horizont abgebildet ist, wie er sich, z. B. von der Mitte des Schulhofs, darbietet (s. Arbeitsblatt Tägliche Sonnenbeobachtung ). Die Himmelsrichtungen können in diesem Bild bereits markiert sein. Sie können aber auch von den Kindern mit einem Kompass selbst bestimmt werden. Am reizvollsten ist es vielleicht, die Kinder zunächst ohne Himmelsrichtungen arbeiten zu lassen. Dann ergibt sich die Südrichtung im Laufe der Forschungen anhand des Höchststandes der Sonne (bzw. die Nordrichtung als Richtung der kürzesten Schatten). Diese Richtung kann anschließend mit der Anzeige eines Kompasses verglichen werden 2. Nun können die Kinder den Stand der Sonne in das Arbeitsblatt einzeichnen und eine Uhrzeit dazu schreiben. Das Eintragen der Uhrzeit ist wichtig, um die Vergleichbarkeit mit weiteren Beobachtungen zu gewährleisten. Wiederholt man diese Beobachtungen nun in größeren Abständen (z. B. zwei Monate), können durch den Vergleich der Arbeitsblätter unter Wissen kompakt beschriebenen Phänomene der Veränderung des Sonnenlaufes über das Jahr beobachtet und in gemeinsames Reflexionen thematisiert werden. Da die Zeichnungen der Kinder für solche langfristigen Vergleiche in der Regel nicht genau genug sein werden, sind Fotos von der Sonne in der Nähe ihres Auf- oder Untergangspunktes hilfreich (s. Wissen kompakt). Von ihnen geht darüber hinaus ein großer ästhetischer Reiz aus. Schatten und ihre Veränderung Da der Sonnenlauf wegen seiner geringen Geschwindigkeit direkt kaum zu beobachten oder zu fotografieren ist, besteht die beste Möglichkeit, den Lauf der Sonne zu verfolgen, darin, auf Schatten zu achten. Anders als bei der Sonne lässt sich die momentane Position von Schatten leicht markieren. Dadurch lässt sich ihre Veränderung verfolgen und dokumentieren. Wenn die Kinder die Umrisse der Schatten von Gegenständen ihrer Umwelt nachzeichnen, machen sie eine faszinierende Entdeckung: Die Schatten verändern sich, und zwar so schnell, dass man sich wundern kann, es bisher nicht wahrgenommen zu haben: Die Schatten von Bäumen, Hauskanten, Straßenlampen usw. bewegen sich so schnell, dass man ihre Veränderung bereits nach einer (Schul-) Stunde deutlich erkennt, bei sorgfältiger Zeichnung sogar innerhalb von Minuten beobachten kann. Und wenn diese Erfahrung an verschiedenen Gegenständen gleichzeitig gewonnen wird, deren Schatten sich alle in ähnlicher Weise verändern, wird diese Veränderung zu einem Hinweis auf die Wanderung der Sonne über den Himmel: Die Schatten werden kürzer, weil die Sonne immer höher steigt, und je weiter sich die Schatten in eine Richtung bewegen, desto weiter wandert die Sonne in die entgegen gesetzte Richtung. 2 Bei sehr genauem Vorgehen (siehe z. B. Backhaus/Lindner 2005, S. 23) ergibt sich eine bessere Feststellung der Südrichtung als mit einem Kompass, der durch die so genannte magnetische Missweisung, mehr noch durch Gegenstände aus Eisen in der Nähe aus der korrekten Richtung abgelenkt wird.

4 Abb. 2: Der Schatten der Bank wandert überraschend schnell. Eine Sonnenuhr auf dem Schulhof Der Lauf und die Längenveränderung des eigenen Schattens sind besonders faszinierend und leicht zu beobachten. Es bietet sich an, dies auf dem Schulhof zu tun. Dazu stellt sich ein Kind als Schattenstab zur Verfügung. Nun werden als Erstes seine Füße auf den Boden gezeichnet. Diese Markierung dient als Orientierung für alle weiteren Messungen. Dann wird der Schattenumriss des Kindes auf dem Schulhof nachgezeichnet und die Uhrzeit daneben geschrieben. Dieser Vorgang wird nun möglichst regelmäßig wiederholt. Es bietet sich an, immer parallel zu den Sonnenstandsaufzeichnungen zu arbeiten, um einen Vergleich zwischen der Richtung und der Höhe, in der die Sonne steht, und der jeweiligen Schattenposition und -länge zu ermöglichen. Die Schattenköpfe werden in regelmäßigen Abständen markiert und mit den zugehörigen Uhrzeiten beschriftet. Wiederholungen des Experiments an den folgenden Tagen führen zu der gar nicht selbstverständlichen Feststellung, dass sich um dieselbe Uhrzeit derselbe Schatten zeigt. Positionen, die am Vortag, vielleicht wegen einer Wolke vor der Sonne, verpasst wurden, können nun nachgeholt werden. Spätestens jetzt entsteht der Wunsch, Schatten zu den vollen Stunden zu registrieren und so eine erste Sonnenuhr selbst zu konstruieren ein Anlass, den Zusammenhang zwischen Sonnenlauf und Uhrzeit genauer zu untersuchen. Dabei wird es vielleicht überraschen, dass es nicht genau 12 Uhr ist, wenn die Sonne im Süden steht und der Schatten am kürzesten wird: Je weiter im Westen Deutschlands beobachtet wird, desto später ist der lokale oder wahre Mittag. In Köln zum Beispiel sind die Schatten erst um etwa Uhr am kürzesten (wenn es nicht durch die Sommerzeit noch um eine Stunde später ist!). Aber diese Mittagszeit ist an jedem Tag gleich 3. 3 Zusätzlich treten im Laufe des Jahres Abweichungen um bis zu ±16 Minuten auf. Sie beruhen auf der Neigung der Erdachse gegen die Bahnebene der Erde und darauf, dass sich die Erde der Sonne im Winter ist und sich deshalb schneller bewegt als im Sommer. Genauere Ausführungen findet man, z. B. im Internet, unter dem Stichwort Zeitgleichung.

5 Abb. 3 und 4: Kind mit Körperschatten (Kinderzeichnung). Ersatz des Kindes durch eine Spielfigur Vielleicht entsteht der Wunsch, die Position des Schattens noch genauer zu verfolgen, um seine Veränderung noch schneller zu bemerken oder um auch halbe oder gar Viertelstunden markieren zu können. Dann kann über Spielzeugfiguren, Flaschen, Stifte und ähnliche Gegenstände zu einem abstrakten Schattenstab übergegangen werden. Abb. 5: Doppelbelichtung des Schattens einer Flasche, Zeitabstand 30 Minuten Nach einigen Wochen wird deutlich, dass die Sonnenuhr auf dem Schulhof immer ungenauer geht. Das liegt daran, dass sich die Höhe der Sonne verändert und sich auch die Himmelsrichtung ändert, in der die Sonne um dieselbe Uhrzeit steht. Dann kann die Schattenfigur auf dem Schulhof zu einer Sonnenuhr erweitert werden, die nicht nur für einige Tage, sondern für eine lange Zeit die Uhrzeit richtig anzeigt. Dazu müssen auf dem Boden für verschiedene Monate unterschiedliche Fußpunkte markiert werden. Außerdem kommt es nicht mehr auf die Spitze des Schattens an sondern nur noch auf die Richtung, in die der Schatten zeigt. Dadurch kann jedes Kind, unabhängig von seiner Körpergröße, Uhrzeiger

6 spielen. Solche Sonnenuhren nennt man analemmatisch 4. Anleitungen zur Konstruktion findet man z. B. bei Schulz (2008) und Zenkert (2009). Abb. 6 und 7: Bei einer analemmatischen Sonnenuhr wird die sich ändernde Höhe des täglichen Sonnenlaufs durch unterschiedliche Fußpunkte kompensiert (siehe z. B. Schulz 2008, Zenkert 2009). Der Zusammenhang zwischen Richtung und Länge von Schatten und der Position der Sonne am Himmel ist in Bildern schwerer zu durchschauen als in der Realität, in der die Vorstellung, der Himmel über uns bilde eine halbkugelförmige Kuppel, relativ leicht zu vermitteln und durch Salatschüsseln, Käseglocken und ähnliche Haushaltsgegenstände zu veranschaulichen ist. Das Verständnis entsprechender Bilder muss gründlich geübt werden. Es kann durch Modellexperimente (s. Arbeitsblatt Schatten verändern sich ) und durch das Experiment mit der Sonnenkuppel unterstützt werden (s. Kasten.). Abb. 6 und 7: Schatten und Sonnenposition. Die rechte Darstellung wird erst mit der Vorstellung der Himmelskugel verständlich. Die weiterführenden Experimente können also helfen das Verständnis für die Vorgänge am Himmel zu vertiefen. Allerdings setzen sie zum Teil räumliches und abstrahierendes Vorstellungsvermögen voraus. Es liegt daher im Ermessen der Lehrkraft zu entscheiden, inwieweit ihre Schülerinnen und Schüler schon einen Nutzen aus diesen vertiefenden Experimenten ziehen können. Sie stellen aber mindestens eine gute Möglichkeit der Differenzierung dar. Sie können selbst durchgeführt werden und lassen manches klarer erscheinen. Hinweise zu Beobachtungen und Dokumentation Die Vorgänge am Himmel sind, wie wir nun gesehen haben, vielfältig. Um sie in ihrer Breite wahrzunehmen, ist es nötig, die Sonne nicht nur über einen Tag zu beobachten, sondern über 4 Das Analemma war eine Vorschrift, mit der Himmelskreise als Ellipsen auf dem Boden abgebildet werden konnten.

7 einen längeren Zeitraum auf sie zu achten. Für gemeinsame Beobachtungen während der Schulzeit eignen sich die Tage, an denen die Kinder möglichst lange in der Schule sind. Nur dann können genügend lange Sonnenwege bzw. Schattenspuren gemeinsam verfolgt werden. Für die Vorbereitung und Entwicklung der Bodensonnenuhr benötigt man Plätze, die während der ganzen Schulzeit von der Sonne beschienen werden. Solche Plätze sind im Sommer leichter zu finden als im Winter. Die Sonnenpositionen sind dagegen oft leichter im Winter in das Horizontbild einzutragen, weil dann der Abstand der Sonne von Baumspitzen, Hausdächern usw. kleiner und damit leichter zu schätzen ist. Die Veränderung des Sonnenaufgangspunktes ist Ende März und Ende September besonders auffällig. In dieser Zeit des Jahres ist die Sonne aber bereits aufgegangen, wenn die Schule beginnt. Gemeinsam kann der Sonnenaufgang deshalb nur in den Wintermonaten während der Schulzeit beobachtet werden. Aus diesen Gründen ist es wichtig, die Beobachtungen nicht nur gemeinsam anzustellen, sondern die Kinder anzuregen, selbstständig auf die Veränderungen bei der Sonne zu achten und systematische Beobachtungen (vielleicht in kleinen Gruppen) zu Hause, an Wochenenden oder in den Ferien, fortzuführen. Für die Dokumentation gerade der langfristigen Beobachtungen ist es sinnvoll, mit den Kindern ein Sonnenforscherbuch anzulegen. Die Nutzung eines Forscherbuches über einen längeren Zeitraum unterstützt nicht nur die Gewinnung fachlicher Erkenntnisse. Sie leistet auch einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung der Beobachtungs-, Dokumentations- und Problemlösefähigkeit der Kinder. So bietet sich die Möglichkeit, die Kinder ihre Aufzeichnungen untereinander vergleichen zu lassen und Unterschiede und deren Entstehung zu thematisieren. Zum Beispiel ist es wichtig, einen festen Beobachtungsstandort zu haben, um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Diese Erkenntnisse können die Kinder selbst finden, wenn ihnen Raum geboten wird, die Aufzeichnungen zu vergleichen, die Gründe für Unterschiede zu erforschen und nach Lösungen für diese Probleme zu suchen. Der Schwerpunkt dieser langfristig zu planenden Unterrichtseinheit liegt auf dem selbständigen und eigenen Beobachten und Entdecken des Sonnenlaufes und seiner jahreszeitlichen Veränderungen durch die Kinder. Dabei werden die Vorgänge ausführlich im Original, d. h. in der Natur, beobachtet und erst später und sehr zurückhaltend durch Modelle veranschaulicht. Ziel der Einheit ist nicht die Erklärung der Vorgänge durch ihre Beschreibung in der Außensicht, sondern die Vertrautheit mit alltäglichen Vorgängen in der Lebenswelt und das Auffinden von Beziehungen zwischen zunächst unabhängig gewonnenen Erkenntnissen z. B. der Erkenntnis, dass die Sonne um so weiter nördlich aufgeht und umso länger am Himmel zu sehen ist, je höher ihr Lauf über den Himmel ist. Erst diese Erfahrung führt zu der Frage nach dem Warum?, der später nachgegangen werden kann. Dieses Vorgehen ist auch aus wissenschaftlicher Sicht sinnvoll, da nur aus diesen Beobachtungen, wie sie die Kinder hier selbst machen, auch früher auf die tatsächlichen Verhältnisse geschlossen wurde. Es handelt sich also auch um einen Nachvollzug eines wissenschaftlichen Erkenntnisweges. Die Unterrichtseinheit leistet somit einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung und zum Verständnis wissenschaftlichen Arbeitens bei den Schülerinnen und Schülern. Literatur U. Backhaus, K. Lindner: Astronomie plus, Cornelsen: Berlin 2005 M. Hartmann: Astronomie ein Kinderspiel. Sonne, Erde Mond. Beltz Verlag: Weinheim 2006

8 U. Backhaus, Astronomische Materialien (http://www.didaktik.physik.uni-duisburgessen.de/~backhaus/astromaterialien/ ) N. Gessner, DVD Raumschiff Erde, Informationen im Internet (z. B. W. Kraul, Erscheinungen am Sternenhimmel. Die Bewegungen der Gestirne beobachten und verstehen. Verlag Freies Geistesleben: Stuttgart 2002 E.-V. Schmidt, B. Heumann-Kranz: Themenheft Sterne und Planeten, Buch Verlag Kempen: Kempen 2004 R. Wodzinski: Sonne Erde Mond. Eine Unterrichtseinheit für den naturwissenschaftlichen Anfangsunterricht. In: R. Duit, S. Mikelskis-Seifert (Hrsg.), Physik im Kontext, Freidrich Verlag: Seelze 2010 A. Schulz: Eine Boden-Sonnenuhr für den Schulhof, Astronomie+Raumfahrt 45/3-4, 16 (2008) M. Wagenschein: Die Erfahrung des Erdballs, in: Naturphänomene sehen und verstehen Genetische Lehrgänge, Klett: Stuttgart 1988 (http://martin-wagenschein.de/archiv/w- 010.pdf) A. Zenkert: Die analemmatische Bodensonnenuhr, MNU-Sonderheft Astronomie 2009 (http://www.mnu.de/index.php?option=com_content&view=article&id=218:themenheftastronomie&catid=43:aktuelles&itemid=54 ), 48

9 Versuch Beobachtung wandernder Schatten Beobachtung des täglichen Sonnenlaufs Was können Kinder tun bzw. beobachten? Die Kinder verfolgen wandernde Schatten verschiedener Gegenstände auf dem Schulhof. Sie zeichnen ihre Umrisse in regelmäßigen Zeitabständen nach (s. Abb. 2). Alle Schatten verändern sich in ähnlicher Weise. Die Kinder beobachten die Veränderung der Sonnenposition am Himmel im Laufe des Tages (Vormittags) von einem festen Standort aus. Sie markieren die Sonnenpositionen in Abständen von je einer Stunde in einem Horizontbild. Das Horizontbild muss speziell für den gewählten Standort erstellt werden. Es kann gezeichnet werden. Genauer ist jedoch ein Horizontfoto, das man durch Aneinanderreihung mehrerer Bilder erzeugt. Viele moderne Digitalkameras können diese Bilder sogar direkt zu einem Panoramabild zusammenfügen. Die Sonne geht am östlichen Horizont auf, erreicht mittags im Süden ihren höchsten Stand und geht abends am westlichen Horizont unter. Wie lässt sich das erklären? Die Schatten auf dem Boden werden von der Sonne erzeugt. Die Veränderung der Schatten ist die Folge der Wanderung der Sonne über den Himmel. Wenn sich ein Kind bewegt, verändert sich für es die Position der Sonne in Bezug auf die Gegenstände der Umgebung: Die Sonne wandert mit dem Kind mit. Damit die Bewegung der Sonne verfolgt werden kann, muss deshalb immer von derselben Stelle aus zur Sonne geblickt werden. Nur Ende März (Frühlingsanfang) und Ende September (Herbstanfang) geht die Sonne genau im Osten auf und im Westen unter. Beobachtung des Sonnenaufgangsoder -untergangspunktes Die Kinder beobachten gemeinsam einen Sonnenaufgang (oder untergang). Sie tragen den Ort des Aufgangs in ein Horizontbild ein. Wird diese Beobachtung in Abständen von Wochen vom selben Standort aus mehrfach wiederholt, zeigt sich, dass der Aufgangspunkt deutlich wandert. Die tägliche Bahn der Sonne ist ein Kreis. Alle Kreise, die sie im Laufe eines Jahres durchläuft, sind parallel zueinander. Je höher ein solcher Kreis liegt, desto weiter nördlich schneidet er den Horizont.

10 Mit Fotos von der auf- oder untergehenden Sonne lässt sich diese Veränderung noch eindrucksvoller nachweisen. Solche Fotos sind einfach aufzunehmen. Sie dokumentieren nicht nur die Wanderung des Horizontpunktes, sondern üben auch einen starken ästhetischen Reiz aus. Diese weit verbreitete Art der Darstellung ist insofern schwierig zu verstehen, dass sie die Innensicht in einer (nur fiktiven!) Ansicht von außen darstellt. Die Darstellung passt jedoch gut zu dem Experiment mit der Sonnenkuppel (s. u.). Der Schatten eines senkrechten Stabes und seine Veränderung im Laufe eines Tages Die tägliche Sonnenbahn auf der Sonnenkuppel Der Aufgangspunkt wandert von Januar bis Juni nach links, (also Richtung Norden), von Juli bis Dezember wandert er in umgekehrter Richtung (also zurück Richtung Süden). Der Schatten eines senkrechten Stabes auf dem Boden wird im Laufes eines Tages, möglichst in regelmäßigen Abständen, wiederholt nachgezeichnet. Der Schatten wandert von West über Nord nach Ost. Mit einem Kompass kann man zeigen: Der Schatten ist am kürzesten, wenn er nach Norden zeigt. Der Schatten zeigt immer von der Sonne weg. Er bewegt sich deshalb in die entgegen gesetzte Richtung wie die Sonne. Je höher die Sonne steigt, desto kürzer wird der Schatten. Die Kinder stecken Reißzwecken im Abstand von jeweils einer Stunde so in ein Haushaltssieb, dass ihr Schatten genau auf eine Markierung (z. B. eine Centmünze) fällt, die sich im Zentrum des Siebes befindet. Das Sieb darf während der ganzen Messung nicht bewegt werden. Noch besser geeignet für diesen Versuch sind Salatschüsseln mit der ungefähr der Form einer Halbkugel. Mit Hilfe des Sonnenlichts wird die jeweilige Position der Sonne auf das Sieb bzw. die Schüssel projiziert. Wird das Experiment im Abstand von etwa drei Monaten wiederholt, ergeben sich zueinander parallele Sonnenbahnen.

11 Schulhofsonnenuhr Schatten Haushaltssieb als Sonnenkuppel; vornehmere Variante Auf diese Weise entsteht eine Sonnenbahn über den Siebhimmel : Die von den Kindern beobachtete Bahn der Sonne über den Himmel wird auf das Sieb übertragen. Dieser Versuch unterstützt die Vorstellung des Himmels über uns als Halbkugel, durch die das Verständnis vieler Bildern (z. B. Abb. 7 in diesem Artikel) erleichtern kann. Die Schatten eines Kindes, das immer wieder an derselben Stelle steht, werden zu unterschiedlichen Zeiten, möglichst in gleichen Zeitabständen, auf dem Boden nachgezeichnet (s. Abb. 3) und mit der zugehörigen Uhrzeit beschriftet. Eine Uhr wird daraus durch die Erfahrung, dass die Zeichnung auch in den nächsten Tagen noch stimmt. Dann können auch die Schattenfiguren durch abstrakte Stundenmarkierungen ersetzt und die Messungen jeweils zur vollen Stunde wiederholt werden. Einfache Bodensonnenuhr (links) und Analemmatische Bodensonnenuhr Nach längerer Zeit werden die Kinder jedoch feststellen, dass die Uhr falsch geht, weil nun die Sonne höher oder niedriger über den Himmel geht. Die jahreszeitliche Änderung des Sonnenlaufs macht sich auch hier bemerkbar. Dieses Problem lässt sich durch die Konstruktion einer so genannten Analemmatischen Sonnenuhr lösen (s. S. XX). Die Kinder erzeugen mit einer Hier machen die Kinder eine wichtige Erfahrung: Die sonne läuft an aufeinander folgenden Tagen immer wieder in gleicher (oder sehr ähnlicher) Weise über den Himmel. Der Schattenlauf vermittelt den Eindruck von Gleichmäßigkeit und Regelmäßigkeit. Deshalb lässt sich mit Hilfe der Sonne eine Uhr konstruieren! Die Schulhofsonnenuhr zeigt, wenn sie mit einer normalen Uhr geeicht wird, die Mitteleuropäische (Sommer-) Zeit an. Der kürzeste Schatten ergibt sich deshalb nicht um 12 Uhr. Die meisten einfachen Sonnenuhren, die man an Hauswänden, in Gärten, findet, zeigen dagegen die wahre Sonnenzeit an. Wenn sie 12 Uhr anzeigen, steht die Sonne genau im Süden. Der Unterschied beruht darauf, dass die Mitteleuropäische Zeit für den 15. Längengrad gilt. Je weiter westlich davon man sich befindet, desto später erreicht die Sonne ihren Höchststand im Süden pro Längengrad um vier Minuten später. An diesem Versuch lassen sich

12 verändern sich durch die Bewegung der Lampe Die Erde im Licht der Sonne Taschenlampe den Schatten eines senkrecht stehenden Stabes auf einem Bogen Papier und beobachten den Zusammenhang zwischen der Position der Lampe und der Richtung und Länge des Schattens. Sie zeichnen die Schattenspur nach, die durch eine bestimmte Bewegung der Lampe erzeugt wird (s. Arbeitsblatt). Untersuchung des Zusammenhanges zwischen Lampenhöhe und richtung und Schattenlänge und richtung: Je weiter die Lampe in eine Richtung bewegt wird, desto weiter bewegt sich der Schatten in die andere Richtung. Je höher die Lampe gehalten wird, desto kürzer wird der Schatten. Der Versuch kann eventuell auch umgekehrt werden: Eine Spur wird vorgegeben. Die Kinder versuchen die Lampe so zu bewegen, dass die Spitze des Stabschattens dieser Spur möglichst gut folgt. Ein Globus wird so ins Sonnenlicht gestellt, dass sich Globus-Deutschland oben befindet und der zugehörige Längenkreis in Nord-Süd-Richtung verläuft. Dann sehen die Kinder, dass die Hälfte des Globus von der Sonne beschienen wird, sich die andere Hälfte im Schatten befindet. Im Laufe von 1-2 Stunden können die Kinder bemerken, dass auf der einen Seite des Globus (im Westen) immer mehr Länder von der Sonne beschienen werden. Auf der anderen Seite (im Osten) geraten dafür immer mehr Länder in den Schatten. Die Lehrerin erzählt, dass man an diesem Globus sehen kann, wo auf der Erde die Sonne gerade aufgeht und wo sie untergeht. mache man sich klar: Der Globus steht in derselben Orientierung im Sonnenlicht wie die ganze Erde! Man kann dem Globus deshalb ansehen, wo auf der Erde überall Tag ist, wo die Sonne gerade aufgeht und wo sie untergeht. modellhaft die Erfahrungen wiederholen und vertiefen, die die Kinder an den Schatten im Sonnenlicht gesammelt haben. Der Zusammenhang zwischen Position der Lampe und der Länge und Richtung der Schatten wird deutlicher und die Je-desto- Zusammenhänge sind leichter zu entdecken, weil die Bewegungen schneller sind und wiederholt werden können. Dadurch dass sich der eigene Standort oben auf dem Globus befindet und der zugehörige Längenkreis die richtige Richtung hat, hat der Globus genau dieselbe Orientierung im Licht der Sonne wie die ganze Erde. Seine beleuchtete Seite zeigt also die Tagseite der Erde, die Schattenseite ihre Nachtseite. Wenn die Sonne wandert bzw. die Erde sich dreht, geschieht Gleiches mit dem Globus; für dieselben Länder geht die Sonne auf, in denselben Ländern ist gerade Sonnenuntergang. 5 Wagenschein (1988) beschreibt eindrücklich den umfangreichen Erfahrungshintergrund dieser Vorstellung und die Schwierigkeiten auf dem Weg dorthin.

13 Der Globus im Sonnenlicht: An Amerikas Ostküste geht gerade die Sonne auf (Mitte). In ganz Amerika ist Tag (unten). Dieses Modellexperiment unterstützt die Vorstellung von der Kugelgestalt der Erde. Für Kinder ist es nur dann sehr eindrucksvoll, wenn sie sich diese Vorstellung schon zu Eigen gemacht haben. In der Regel gelingt das aber in der Grundschule noch nicht 5.

14 Wissen kompakt Der Lauf der Sonne über den Himmel Die Sonne geht am östlichen Horizont auf, wandert dann nach rechts oben. Ihre höchste Stellung über dem Horizont erreicht sie mittags im Süden, um dann ihren Weg nach rechts unten fortzusetzen. Abends geht sie am westlichen Horizont unter. Abb. 8: Tägliche Wanderung der Sonne über den Himmel Dieser Vorgang wiederholt sich jeden Tag. Aber bereits nach wenigen Tagen kann man bei genauer Beobachtung feststellen, dass sich der Lauf der Sonne allmählich ändert: Die Auf- und Untergangspunkte beginnen zu wandern, die Aufgangspunkte zwischen Winteranfang und Sommeranfang nach links, die Untergangspunkte nach rechts (beide also Richtung Norden), im anderen Halbjahr in die entgegen gesetzte Richtung. Insgesamt überstreichen die Auf- und Untergangspunkte dabei in Deutschland einen Winkel von etwa 90. Besonders schnell ist diese Wanderung in den Wochen um Frühlings- und Herbstanfang. Abb. 9: Veränderung des Untergangspunktes der Sonne innerhalb von zwei Wochen ( April). Das Bild wurde aus zwei Einzelfotos so zusammengesetzt, dass die Kirchtürme beider Bilder übereinander liegen.

15 Die Uhrzeiten verschieben sich: Zwischen Winteranfang und Sommeranfang geht die Sonne immer früher auf und immer später unter. Im anderen Halbjahr ist es umgekehrt. Der Unterschied ist beträchtlich: Am Sommeranfang ist die Sonne in Deutschland ungefähr doppelt so lange über dem Horizont (ca. 16 Stunden) wie zu Beginn des Winters. Die Höhe des Sonnenlaufes nimmt zwischen Winteranfang und Sommeranfang immer mehr zu, um dann wieder abzunehmen. Die Mittagshöhe der Sonne ändert sich dabei um 47. Der Zeitpunkt und die Richtung, in der die Sonne ihren höchsten Stand erreicht, ändern sich jedoch nicht. Abb. 10 und 11: Verschiedene Tagbögen, dargestellt. als Blick auf die Himmelskuppel (Abb. 10). Für Kinder ist die Darstellung in Abb. 11 leichter zu verstehen (Kraul, S. 47). Diese Phänomene stellen einen Zusammenhang zwischen den Himmelsrichtungen und dem Sonnenlauf her: Süden ist dort, wo die Sonne ihren höchsten Stand erreicht. Die Auf- und Untergangspunkte dagegen eignen sich nur sehr grob zur Festlegung (bzw. zum Auffinden) der Himmelsrichtungen. Der bekannte Merksatz Im Osten geht die Sonne auf, im Süden nimmt sie ihren Lauf, im Westen wird sie untergehen, im Norden ist sie nie zu sehen. ist deshalb von etwas zweifelhaftem Wert 6. Die Beobachtungen führen auch zu der Einsicht, dass die Jahreszeiten etwas mit dem Sonnenlauf zu tun haben: Im Sommer ist die Sonne besonders lange am Himmel, und sie erreicht bei ihrem täglichen Lauf eine viel größere Höhe als im Winter. 6 Auch die Merkregel für die Reihenfolge der Himmelsrichtungen Nie Ohne Seife Waschen! ist in diesem Zusammenhang nicht optimal, da die Südrichtung zuerst gefunden wird. Die LeserInnen seien deshalb aufgefordert, sich einen Merksatz für die Reihenfolge S-W-N-O auszudenken.

16 Name:

17 Tägliche Sonnenbeobachtung Datum: Stelle dich heute mehrmals an dieselbe Stelle auf dem Schulhof. Schau dir an, wo die Sonne steht, und zeichne sie an der richtigen Stelle ein. Schreibe immer die Uhrzeit an die Sonne. Vorsicht: Schaue nicht mit bloßen Augen in die Sonne! Benutze möglichst eine Sonnenbrille! Hinweis: Diese Skizze ist jeweils durch ein örtliches Umgebungsbild vom Beobachtungsort zu ersetzen. Es bietet sich an, hierzu die Panoramabild-Funktion einer Digitalkamera zu nutzen. Die Himmelsrichtungen können entweder vorher eingetragen oder mit den Kindern zusammen mit einem Kompass selbst bestimmt werden.

18 Der Lauf der Sonne und die Veränderung von Schatten Das obere Bild zeigt, wie die Sonne im Laufe eines Tages über den Himmel gewandert ist. Das untere Bild hat ein Kind vom Schatten eines Bleistiftes gezeichnet. Das Blatt Papier lag auf einem Tisch auf dem Balkon, von dem aus es die Sonne beobachtet hat. Und auf den Tisch hatte es einen Bleistift gestellt genau auf den dicken schwarzen Punkt. Stelle auch einen Stift auf die Stelle. Dann kannst du dir das besser vorstellen! Schreibe in die Kreise auf dem unteren Bild die Buchstaben der Sonne, die die Schatten erzeugt hat! C B D A E 18

19 Schatten verändern sich Datum: Bei den Schattenaufzeichnungen auf dem Schulhof ist dir sicher einiges aufgefallen. 1. Dein Schatten wird im Laufe des Tages erst kürzer und dann wieder länger. 2. Dein Schatten wandert um dich herum. Versuche herauszufinden, warum das so ist! Dazu brauchst du: Stift Taschenlampe Papier Das musst du tun: Lege das Papier auf deinen Tisch und stelle den Stift darauf. Nun leuchte den Stift an und male den Schatten auf das Papier. Bewege die Taschenlampe nacheinander nach rechts, nach links, nach oben und nach unten. Zeichne immer den Schatten des Stiftes auf dein Blatt. Versuche die folgenden Fragen zu beantworten: 1. Was passiert, wenn du die Taschenlampe weiter nach rechts bewegst? 2. Was passiert, wenn du die Taschenlampe weiter nach links bewegst? 3. Was passiert, wenn du die Taschenlampe weiter nach oben bewegst? 4. Was passiert, wenn du die Taschenlampe weiter nach unten bewegst? 19

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