Herzlich Willkommen!

Transkript

1 Wetterkunde ein Beispiel für systematisches Herzlich Lernen imwillkommen! sinnstiftenden Kontext Dr. Heinz Muckenfuß Folie 1

2 Gliederung Vorbemerkungen zum curricularen Konzept Erläuterung zum Begriff der sinnstiftenden Kontexte Ein Vorschlag zur Einordnung der Wetterkunde Die physikalische Sachstruktur des Themenfeldes Wetter Die Themenfelder des Unterrichts Anordnung und Ausgestaltung (in Beispielen) Diskussion und Kritik Folie 2

3 Abstraktheit und Anwendungsbezug ein Dilemma? Für die Deutungsbedürfnisse in der Alltagswelt drängt sich die Physik nicht auf. Lebenswelt und Physik sind deshalb nicht zwangsläufig aufeinander bezogen. Kinder sind nicht oder nur ausnahmsweise von sich aus auf dem Weg zur Physik sie sind mit weniger zufrieden, wenn es plausibel ist und alltägliche Deutungsbedürfnisse abdeckt. Physiklernen bedarf deshalb einer aus der Sicht der Kinder belastbaren Legitimation. Folie 3

4 Funktionen sinnstiftender Kontexte Kontexte sollen eine möglichst große Chance dafür eröffnen, dass Lernende die jeweils aktuellen Lernanforderungen als subjektiv sinnvoll erleben (sinnstiftende Kontexte). Sinnstiftende Kontexte sind Bausteine für ein themenunabhängiges, an der Fachsystematik orientiertes Kompetenzgefüge. Kontexte dienen aus der Sicht der Lernenden zunächst dazu, die Deutungsfähigkeit in lebensweltlichen Zusammenhängen durch den Aufbau fachspezifischer Kompetenzen zu erhöhen. Es besteht demnach kein Gegensatz zwischen themenorientiertem Lernen in sinnstiftenden Kontexten und (fach-)systematischem Lernen. Beide Aspekte stützen sich vielmehr wechselseitig Folie 4

5 Zur Einbindung der Wetterkunde in das Curriculum physikalische Teilgebiete Optik (ohne Farbenlehre) / Kl. 7 Energie Grundlagen / Kl. 7/8 (incl. Mechanik I) Elektrik / Kl. 8/9 Optik: Farbenlehre /Kl. 9 Thermodynamik /Kl. 9/(10) Wetterkunde Kontexte Licht und Bild (Abbildungen) visuelle Wahrnehmung Alle reden von Energie Physischen Grenzen des Menschen und wie er sie überwindet Energieübertragung durch elektrische Anlagen Warum und wie wir Farben sehen Mechanik II (Dynamik)... weitere Mobilität und Energie... Folie 5

6 Physiologische Erfahrungen zu Energieumsätzen Folie 6

7 Kontextualisierung der Elektrik Folie 7

8 Ladungsstrom und Energiestrom Folie 8

9 Kenntnisse zur spektralen Verteilung der Strahlung Folie 9

10 Folie 10

11 Meridionale Struktur des globalen Energiehaushalts Energieströme in W/m² Gebiet empfängt mehr als es abstrahlt Gebiet strahlt mehr ab alsesempfängt Nord geogr. Breite Süd Folie 11

12 Die Themenfelder des Unterrichts In Anlehnung an die Sachstruktur ergibt sich folgende grobe Gliederung der Unterrichtseinheiten: Temperatur und Temperaturdifferenzen (Temperaturmessung, Temperaturdifferenzen, Strahlungshaushalt, ) Luftdruck und Konvektionssysteme (Winde, vertikaler Temperaturverlauf, Schichtungen ) Wasser in der Luft (Wasser, Wasserdampf, Wolken, Niederschläge ) Das globale Wettergeschehen (Zyklonen, Antizyklonen, Jetstreams ) Folie 12

13 Temperaturdifferenzen und Strahlungshaushalt thematische Inhalte systematische Inhalte Ausblicke Temperaturdifferenzen und ihre Ursachen Temperaturmessungen in der Umgebung Temperaturgänge (zeitlich) Strahlungshaushalt der Erde Energie von der Sonne Strahlung der Erde Aufbau der Atmosphäre Ozonloch, Treibhauseffekt und ihre Folgen Die Erdoberfläche als Heizplatte Wie schnell erwärmen sich Wasser, Luft und Erde? Boden, Wasser und Luft unter dem Einfluss thermischer Energie Temperatur und thermische Energie Thermometer Messung der Strahlungsenergie Strahlungsgesetze (qualitativ) Wechselwirkung Strahlung Materie Wärmeleitung in Boden, Wasser, Luft spezifische Wärmekapazität kinetische Theorie, Gasdruck, absolute Temperatur, Gasgesetze Hohe und tiefe Temperaturen in Natur und Technik Strahlungphänomene in Alltag und Technik; chemische und biologische Aspekte u. A. Wärmeleitung in der Technik; Wärmespeicherung und Wärmekapazität in Technik und Natur Heißluftballon Folie 13

14 Folie 14

15 Folie 15

16 Folie 16

17 Folie 17

18 Folie 18

19 Folie 19

20 Folie 20

21 Folie 21

22 Folie 22

23 Folie 23

24 Daten zur solaren Einstrahlung Folie 24

25 Folie 25

26 Folie 26

27 Zur Einbindung der Wetterkunde in das Curriculum Folie 27

28 Folie 28

29 200 W 2 Glasplatte (Modell für Atmosphäre) dunkler Untergrund (Modell für Erdboden) Folie 29

30 Strahlungsbilanz Folie 30

31 Erwärmung von Boden und Wassr Folie 31

32 Wärmeleitung im Boden Folie 32

33 Wärmeleitung im Boden oberste Schicht zweite Schicht z.b Uhr Luftschicht am Boden 27 C 35 C 30 C oberste Schicht zweite Schicht z.b Uhr Luftschicht am Boden 22 C 25 C 30 C oberste Schicht zweite Schicht z.b Uhr Luftschicht am Boden 8 C 10 C 12 C dritte Schicht 25 C dritte Schicht 28 C dritte Schicht 15 C vierte Schicht 20 C vierte Schicht 25 C vierte Schicht 18 C fünfte Schicht 15 C fünfte Schicht 20 C fünfte Schicht 20 C Folie 33

34 Spezifische Wärmekapazität von Boden, Luft, Wasser Folie 34

35 23:00 22:00 21:00 20:00 19: Temperatur Folie 35 Tagesgang der Lufttemperatur Erwärmung der Luft in Abhängigkeit von der solaren Einstrahlung 18:00 17:00 16:00 15:00 14:00 13:00 12:00 11:00 10:00 09:00 08:00 07:00 06:00 05:00 04:00 03:00 02:00 01:00 00: Energiestrom in Watt pro m² 100 0

36 Ausdehnung der Luft beim Erwärmen Folie 36

37 Ausdehnung der Luft beim Erwärmen Folie 37

38 Ausdehnung der Luft: Die Kelvinskala Folie 38

39 Der Ballon steigt oder auch nicht Folie 39

40 Luftdruck und Winde thematische Inhalte systematische Inhalte Ausblicke Luftdruck und Winde atmosphärischer Luftdruck Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten Winde und Windsysteme Zusammenhang zwischen Luftdruck und Temperatur Temperaturschichtung der Troposphäre u. Stratosphäre Inversionen Luftdruck und seine Messung Höhenabhängigkeit des Luftdrucks Konvektionssysteme und ihre Entstehung adiabatische Zustandsänderungen labile, stabile und indifferente Zustände Biologie (Atmung), Luftdruck Konvektion in technischen Systemen Pneumatisches Feuerzeug, Dieselmotor u. A., Folie 40

41 Luftdruck und Winde Folie 41

42 Horror vacui und Luftdruck Das Messgerät von Galilei zur Messung des horror vacui und ein analoger Versuch zur Messung des Luftdrucks Folie 42

43 Folie 43

44 Höhenabhängigkeit des Luftdrucks Folie 44

45 Höhenabhängigkeit des Luftdrucks Folie 45

46 Höhenabhängigkeit des Luftdrucks Folie 46

47 Höhenabhängigkeit des Luftdrucks Folie 47

48 Atmosphärische Konvektion Folie 48

49 Atmosphärische Konvektion Folie 49

50 Temperaturänderungen bei vertikaler Luftbewegung Folie 50

51 Temperaturänderungen bei vertikaler Luftbewegung Folie 51

52 Temperaturänderungen bei vertikaler Luftbewegung Folie 52

53 ΔW ΔV = Δp = c p ρ Luft Δϑ ρ Luft g Δh = c p ρ Luft Δϑ Δϑ Δh = g c p = 9,81 N K kg 1005 kg Nm 0,01 K m 1 K 100 m Folie 53

54 Inversion: Schwere Kaltluft lagert unten Folie 54

55 Folie 55

56 thematische Inhalte systematische Inhalte Ausblicke Wasser in der Luft Eis, Wasser und Wasserdampf Schmelzen und Erstarren Verdunsten und Kondensieren, Verdunstungs- und Niederschlagsmessung Luftfeuchtigkeit und Taupunkt Wolkenbeobachtung und Wolken-klassifikation Wolkenbildung Bedingungen für die Bildung von Dunst und Nebel Entstehung von Niederschlägen Kristallisationsvorgän ge Verdampfungs- und Konden-sationswärme Dampfdruck Sättigungsdampfdruck Sättigungsfeuchte, relative Luftfeuchtigkeit und Taupunkt Kondensation- und Verdunstung unter atmosphärischen Bedingungen Sinkgeschwindigkeite n Kooperation mit Chemie, Latentwärme speicher Verschiedene Aspekte zum Wasserhaushalt und zur Wasserversorg ung

57 Folie 57

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59 Ermittlung der Dampfdruckkurve Folie 59

60 Ermittlung der Dampfdruckkurve Folie 60

61 Taupunktkurve Temperatur [ C] Sätt.-feuchte [g/m³] 1,08 2,36 3,32 4,85 6,8 9,2 12,8 17,3 23,1 30,4 39,6 Dampfdruck [hpa] 1,25 2,85 4,13 6,1 8,7 12,3 17,0 23,4 31,7 42,4 56,2 Folie 61

62 Folie 62

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64 Unterkühlung von Wasser Folie 64

65 Wachsen von Eiskristallen - Niederschlagsbildung Folie 65

66 Folie 66

67 Fallgeschwindigkeit von Tropfen Folie 67

68 Fallgeschwindigkeit von Tropfen r = 100µm v=70cm/s s =150m F = -30 C p Regentropfen r = 1mm, v = 6,5m/s, n = 1/l Niederschlagselement F = -30 C p Wolkentropfen r = 20-50µm v=27cm/s(bei 50µm) n= 1000/l s = 25m F p= -35 C Kondensationskern Wolkenelement r = 0,1µm r = 2-10µm V=1µm/s v=1cm/s n = /l n = /l s=3cm Es bedeuten: F p= -40 C r = Radius des Teilchens v = Sinkgeschwindigkeit relativ zur Umgebungsluft n = Teilchendichte s = Fallweg bis zur vollständigen Verdunstung (bei 90% rel. Luftfeuchtigkeit) F p = Gefriertemperatur ohne Eiskeime Folie 68

69 Folie 69

70 Wolkenanimation Animationen extern abspielen Folie 70

71 Versuchsanordnung zum Corioliseffekt Folie 71

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73 Versuchsanordnung zum Corioliseffekt Folie 73

74 Kreisbewegung durch Corioliseffekt (reibungsfrei) A zentral beschleunigte Bewegung (Richtung des Druckgradienten) Z Tiefdruckzentrum kräftefreie Tangential- Bewegung (ohne Reibungs einfluss konstant) Folie 74

75 Spiralige Einwärtsbewegung unter Reibungseinfluss B Z Tiefdruckzentrum sukzessive Verkleinerung der Tangentialkomponente: Reibungseinfluss führt zu spiralförmiger Einwärtsdrehung Folie 75

76 Folie 76

77 Folie 77

78 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Folie 78