Musterhandout zur Veranstaltung Demonstrationsexperimente

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1 Musterhandout zur Veranstaltung Demonstrationsexperimente Version 0.0 Dr. Sigrid M. Weber Didaktik der Physik Universität Bayreuth 1 Beispielthema: Mond- und Sonnenfinsternisse, Mondphasen 1.1 Versuchbeschreibung Das Modellexperiment, mit dessen Hilfe die Schüler die Entstehung der Mondphasen quasi miterleben können, sieht folgendermaßen aus: Zur Realisierung des Mondes benutzt man einen kugelförmigen Gegenstand, z. B. einen Tennisball oder eine Styroporkugel gleicher Größe. Man steckt die Styroporkugel fest auf eine Nadel oder Stahldraht. Für die Sonne verwendet man einen großen Lichtstrahler (Reflektorlampe), der an einer Stativstange befestigt und auf das Pult gestellt wird. Die Erde wird durch die Schüler veranschaulicht; sie stellen im Modell die Erdbewohner dar. Das Modellexperiment wird nun folgendermaßen aufgebaut: Skizze siehe Nun verdunkelt man den Raum, schaltet den Lichtstrahler ein und beleuchtet damit den um die Schüler laufenden Mond. Folgendes können nun die Schüler beim Umlauf des Mondes beobachten: 1

2 Steht der Mond zwischen Sonne und Erde/Erdbewohnern, wird der Mond von vorne beleuchtet und die Neumondphase entsteht (0 ). Dabei sehen die Schüler nichts von der beleuchteten Seite des Mondes. Ist die Erde (Sitzen die Schüler) zwischen Sonne und Mond, können die Erdbewohner/Schüler die ganze beleuchtete Halbmondseite betrachten und es ist Vollmond (180 ). Bei verschiedenen anderen Beleuchtungswinkeln können die Schüler an der Styroporkugel die Zwischenphasen erkennen. Mit Hilfe einer Skizze (Arbeitsblatt/Folie bei 4)), die das Entstehen der Mondphasen von oben und aus Sicht des Beobachters auf der Erde zeigt, kann man den Schülern die verschiedenen Phasen zeichnerisch veranschaulichen. 1.2 Lernvoraussetzungen Die Schüler kennen verschiedene Lichtquellen (natürliche und künstliche), wie Sonne und Glühlampe. Die Schüler wissen, dass sich Licht geradlinig ausbreitet. Die Schüler wissen, dass die Erde und der Mond Fremdstrahler sind. Die Schüler kennen den Strahlengang des Lichts bei einem Lichtstrahler. Die Schüler kennen die Begriffe Kern-, Halb- und Übergangsschatten und wissen, wie diese verschiedenen Strahlenarten entstehen. Die Schüler wissen, dass die Erde die Sonne auf einer leicht ellipsenförmigen Bahn umläuft. Die Schüler wissen, dass der Mond die Erde auf einer ellipsenförmigen Bahn umläuft. Die Schüler kennen die Umlaufdauern, die die Erde für einen Umlauf um die Sonne (1 Jahr) und der Mond für einen Umlauf um die Erde (28 Tage) benötigt. Die Schüler kennen das Modell aus einem Strahler (die Sonne als eine Glühlampe mit umgebender Mattglaskugel (Durchmesser ca. 12 cm)) und 2 Styroporkugeln (Erde und Mond, deren Durchmesser ca. 3 cm bzw. 1,5 cm betragen), das zur Darstellung der Lage und Bewegung von Erde, Mond und Sonne benutzt wird. Im Modell umkreist die Erde die Sonne im Abstand von etwa 40 cm, der Mond die Erde im Abstand von etwa 10 cm. 2

3 1.3 Lernziele dieses Versuches Grobziele Die Schüler sollen wissen, wie die Mondphasen entstehen und wie es zu einer Mond- und Sonnenfinsternis kommt und welche verschiedenen Arten von Mond- und Sonnenfinsternissen es gibt. Die Schüler sollen erkennen und wissen, warum es nicht jeden Monat zu einer Mond- und Sonnenfinsternis kommt Feinziele 1. Die Schüler sollen wissen, wie die einzelnen Mondphasen, die wir von der Erde aus sehen, entstehen. 2. Die Schüler sollen wissen, dass eine Sonnenfinsternis nur in einer bestimmten geographischen Lage zu sehen ist, während eine Mondfinsternis auf der ganzen Nachthälfte der Erde beobachtbar ist. 3. Die Schüler sollen am Modell eine Mond- und Sonnenfinsternis aufbauen können. 4. Die Schüler sollen wissen, dass nur bei Vollmond, wenn sich Sonne, Erde und Mond auf einer Linie befinden, es zu einer totalen Mondfinsternis kommt, denn der Mond befindet sich dann im Kernschatten der Erde. 5. Die Schüler sollen wissen, dass nur bei Neumond, wenn sich Sonne, Erde und Mond auf einer Linie befinden, es zu einer Sonnenfinsternis kommt. 6. Die Schüler sollen wissen, dass sich bei einer totalen Sonnenfinsternis die Erde im Kernschatten des Mondes befindet. 7. Die Schüler sollen wissen, dass es auch ringförmige Sonnenfinsternisse gibt und wie sie sich von der totalen Sonnenfinsternis unterscheiden. 8. Die Schüler sollen partielle Mond- und Sonnenfinsternisse kennen und wissen, dass sich bei einer partiellen Mondfinsternis der Mond im Halbschatten der Erde und bei einer partiellen Sonnenfinsternis die Erde sich im Halbschatten des Mondes befindet. 9. Die Schüler sollen lernen, dass aufgrund der Bahnneigung der Mondumlaufbahn gegenüber der Erdumlaufbahn es nicht jeden Monat eine Mond- und Sonnenfinsternis gibt. 3

4 1.4 Übergeordnetes Unterrichtsthema bzw. übergeordnete Unterrichtseinheit Stellung des Versuchsthemas innerhalb der Unterrichtseinheit Bezug zur Unterrichtseinheit Ausbreitung des Lichts Lichtquellen, Lichtstrahl als Modellvorstellung, Lichtausbreitung und Sehen Schattenbildung, jedoch ohne Mondphasen, Sonnen- und Mondfinsternis Weitere Lernziele, die die gesamte Unterrichtseinheit thematisch erschließen Wird hier nicht näher aufgeführt, da solche Fragstellungen u.a. in der Begleitveranstaltung zum Schulpraktikum behandelt werden. 1.5 Experimentelle Alternativen Kennzeichen des Modells: Didaktische Reduktionen: Beschränkung auf ein Zweikörperproblem: Sonne und Mond Die Erde wird quasi durch das Klassenzimer simuliert, was die experimentelle Realisierung stark vereinfacht, aber zu Verwirrungen bei den Schülerinnen und Schülern führen kann. Als Alternative ist eine (Teil-)Planetarium möglich, das mindestens Sonne, Erde und Mond umfasst. Beide Modelle, das obige sowie das Planetarium, besitzen folgende Nachteile: Nichtmaßstabgerechtes Modell, d.h. Nichtberücksichtigung von Radien- und Entfernungsverhältnissen von Erde, Sonne und Mond Fehlende homogene Abstrahlung der Modellsonne: Glühlampe mit umgebender Mattglaskugel hat kleines Leuchtzentrum (Hauptlichtanteil geht nur von Glühlampe aus und nicht von Mattglaskugel; diese zeigt nur Größe der Sonne.) Die Bahnneigung der Mondbahn gegenüber der Erdumlaufbahn bleibt unberücksichtigt. Vorteile des Einsatzes des obigen Modells: Darstellbarkeit von Lage und Bewegung von Erde, Sonne und Mond. 4

5 Erkennbarkeit der Schattenräume bei Verdunkelung des Zimmers und der damit verbundenen Phänomene, totale Sonnen- und Mondfinsternis Förderung des Vorstellungsvermögens der Schüler durch Anschaulichkeit des Modells Möglicher Ersatz für die Modellanordnung: Computersimulation 1.6 Mögliche bzw. notwendige Modifikationen des Demonstrationsexperiments bei Einsatz als Gruppenexperimentp Wird hier nicht näher ausgeführt, u.a. Lernvoraussetzungen. Nennung eventuell notwendiger weiterer 1.7 Unterrichtsverfahren Zum Beispiel Typ: Modifiziertes Normalverfahren Sozialformen Unterrichtsgespräch, Gruppenunterricht Lehrform(en) und Lernformen (=Aktionsformen) Motivationssituationen oder Einstiegssituation Problemfragen und Hypothesen 1.8 Sicherung der Lernziele 1.9 Lernzielkontrollen 1.10 Präkonzepte, Misskonzepte Mögliches Präkonzept der Schüler: Die Schüler kennen zwar die einzelnen Mondphasen, da sie sie schon am Himmel gesehen haben, glauben aber, dass die Mondphasen durch den Kernschatten der Erde, der den Mond unterschiedlich abschattet, verursacht wird. (Näheres hierzu siehe z.b. 5