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Homepage > Aktivitäten > Astronomie > Himmel, Erde, Universum > Eratosthenes > Projektphase 1 > Schattenbildung > Schatten und Lichtquelle

Schatten und Lichtquelle

Publikation: 25.10.2007
Lernstufe: 3
Dauer: Mehrere Beobachtungszeiten im Freien, je nach Wetter; 20 Min. um draußen (auf einer asphaltierten Fläche in der Sonne) Schattenumrisse zu zeichnen, weitere 20 Min. für Simulationen in einem Raum, der sich verdunkeln lässt.
Material: Für jede Gruppe von 3-5 Schüler/inne/n:
  • ein Stück Kreide
  • ein Maßband
  • ein Taschenrechner
  • eine Taschenlampe
  • ein Stift oder ein länglicher Gegenstand
  • Knete
  • ein Blatt weißes Papier
  • ein Bleistift
  • Millimeterpapier
Herkunft: La main à la pâte, Paris. Originalversion: www.fondation-lamap.org/eratos

Sammeln der anfänglichen Vorstellungen der Schüler/innen

Nachdem die Schüler/innen ihr Wissen im Fragebogen für den Eingangstest mit der Zeichnung eines "Stabs in der Sonne" demonstriert haben, sollen sie jetzt sagen, was sie über Schatten im Allgemeinen wissen und wie Schatten ihrer Meinung nach entstehen. Anschließend lässt man sie sich selbst zeichnen, "in der Sonne" neben einem Baum und einem Haus.

Gegenüberstellung der Zeichnungen

Die Schüler/innen haben sicherlich beim Eingangstest auch Zeichnungen gemacht, die Widersprüchliches enthielten. Der/die Lehrer/in zeichnet die Zeichnungen mit Widersprüchen nach und bittet die in kleine Gruppen aufgeteilten Schüler/innen sich über die Fehler in den Zeichungen Gedanken zu machen.

Beobachtungen

Die Beobachtungen sollten bei Sonnenschein angestellt werden, aber auch wenn die Sonne etwas verschleiert ist, damit man sehen kann, dass die Schatten mehr oder weniger scharf und kontrastreich sind und verschwinden können, sobald sich eine Wolke vor die Sonne schiebt. Die Form der Schatten wird mit der Form der Gegenstände, die sie hervorrufen, verglichen; dazu wird der Gegenstand in unterschiedlicher Weise in die Sonne gehalten (von vorn, seitlich, Dreiviertelprofil, von oben...).

Experimente

Die Kinder werden erkennen, dass der Schatten sich nicht auf die zwei Dimensionen beschränkt, die man ihm im Allgemeinen zuschreibt. Wenn sie eine Hand hinter einen von der Sonne beschienenen Gegenstand oder noch besser hinter eine/n Mitschüler/in halten, stellen sie fest, dass ihre Hand im Schatten ist, ganz gleich wie groß der Abstand zwischen dem Gegenstand oder dem/der Mitschüler/in und der Fläche (Mauer oder Boden) ist, auf die der Schatten fällt. Es wird ihnen bewusst, dass der Schatten in Wirklichkeit drei Dimensionen hat, und keine eigene Konsistenz. Es ist ein Bereich im Raum, in den das von der Sonne kommende Licht nicht gelangt. Steht ein Körper zwischen einer Lichtquelle und einem Schirm, sieht man auf dem Schirm einen Schatten, den man Schlagschatten nennt (da es bei allen weiteren Aktivitäten immer nur um den Schlagschatten geht, wird nur noch das Wort Schatten verwendet).

Schattenumrisse interpretieren

Einige Schüler/innen werden bemerken, dass ihr Schatten nicht die gleiche Größe hat wie sie selbst. Wie kann man das überprüfen? Durch Vergleich mit einem Schattenumriss. Die Kinder tun sich zu Paaren zusammen. Ein Kind stellt sich zur Sonne gewandt hin, während das andere mit Kreide den Umriss seines Schattens auf den asphaltierten Boden malt, einschließlich der Füße, denn wir "treten" ja auf unseren Schatten.

Wie prüft man jetzt, ob der Umriss gleich groß, größer oder kleiner als der/die betreffende Schüler/in ist? Jedes Paar wählt seine eigene Vorgehensweise und setzt diese um (am einfachsten ist es, sich auf den eingezeichneten Umriss des Schattens zu legen).

Experimente mit einer Taschenlampe

Skizze: Zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen Höhe der Lampe und Länge des Schattens

Abb. 3: Je höher man die Lampe hält, desto kürzer wird der Schatten.

Inzwischen werden sich die Schüler/innen nach der Ursache dieses Unterschieds zwischen ihrer Körpergröße und der Länge ihres Schattens gefragt haben und sie werden verstanden haben, dass es etwas mit der Höhe der Sonne über dem Horizont zu tun hat. Um sich mit dem Phänomen vertrauter zu machen, werden sie in kleinen Gruppen Simulationen mit einer Taschenlampe und irgendeinem Gegenstand (z.B. einem in eine Kugel aus Knete gesteckten Bleistift) durchführen. Sie werden nicht lange brauchen, um festzustellen, dass ein Zusammenhang zwischen der Höhe der Lampe und der Länge des Schattens des Gegenstands besteht.

Vielleicht macht ein/e kleine/r Schlauberger/in eine Entdeckung, die dem widerspricht; er/sie wird mit seinen Mitschüler/inne/n wetten wollen, dass er/sie einen Weg gefunden hat, wie man die Tachenlampe heben und senken kann, ohne dass sich die Länge des Schattens verändert (auf einem sich unter dem Gegenstand befindlichen Blatt Papier wird ein "Referenzschatten" eingezeichnet). Abb. 3 zeigt, dass der vom Lichtstrahl und der Unterlage gebildete Winkel konstant bleiben muss, wenn sich die Länge des Schattens nicht ändern soll. Dazu muss die Taschenlampe geradlinig in Richtung der Spitze des Gegenstandes gesenkt werden – der Extremfall ist natürlich, wenn dieser Winkel 90° beträgt: In diesem Fall bleibt die Lampe beim Absenken senkrecht über dem Gegenstand, dessen Schatten, wie in der Geschichte des Eratosthenes, "verschwindet"!

Andere Schüler/innen werden vielleicht auch entdecken, dass, wenn man die Taschenlampe seitlich bewegt, der Schatten dies auch tut, er sich aber in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Diesem Phänomen werden wir etwas später wieder begegnen...

Zeichnungen mit Erläuterungen

Die Schüler/innen halten ihre Beobachtungen zu diesem Teil mit Skizzen und Erläuterungen fest. Man kann sie auch bitten, auf Millimeterpapier im Maßstab 1:10 und im Profil das Kind zu zeichnen, dessen Schattenumriss vorher auf den Boden gezeichnet wurde; auch der Schatten sollte eingezeichnet werden (da der Schatten "hinter" dem Kind war, muss er in der Zeichnung links oder rechts vom Kind erscheinen), wobei die Schattenlänge dem entsprechen sollte, was sie selbst weiter oben gemessen haben. Sie sollen sich dann überlegen, wohin sie die Sonne zeichnen müssen. Manche werden den Sonnenstrahl schräg oben am Kopf der Person vorbei bis zum Ende des Schattens ziehen und ihn nach oben verlängern, wo sie dann die Sonne einzeichnen.

Anmerkung: Wenn die Schüler/innen die Sonnenstrahlen darstellen, sollten sie sie stricheln.

Mögliche Erweiterungen

Möglicherweise fragen sich die Schüler/innen, warum die Umrisse der Schatten manchmal verschwommen sind. Sie können dann mit Hilfe sehr einfacher Experimente erkunden, dass der verschwomme Teil des Schattens der so genannte Halbschatten ist und dass dessen Entstehung mit der Größe der Lichtquelle zusammenhängt. Wir gehen hier nicht näher auf diese Experimente ein, da das angesprochene Phänomen beim Eratosthenes-Projekt keine oder nur eine sehr geringe Rolle spielt. Interessierte finden näheren Einzelheiten zum Halbschatten im Rahmen des Moduls Die Mondfinsternis entdecken und mit ihr spielen.

Zwischenbewertung

Man kann an dieser Stelle eine Zwischenbewertung vorsehen, die rein pädagogischen Zwecken dient, um festzustellen, ob die Schüler/innen in diesem Stadium die Begriffe, auf die man sich später stützen muss, verstanden haben.

Der/die Lehrer/in kann sie eine sehr einfache Zeichnung anfertigen lassen:
1. Aufgabe: Im Schnitt eine Straße mit zwei Bürgersteigen und einer Straßenlaterne auf einem der Bürgersteige zeichnen (KEINE SONNE ZEICHNEN!)
2. Aufgabe: Die Sonne so einzeichnen, dass der Schatten der Laterne auf den gegenüberliegenden Bürgersteig fällt.

Letzte Aktualisierung: 28.6.2013

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