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Homepage > Aktivitäten > Astronomie > Himmel, Erde, Universum > Eratosthenes > Projektphase 1 > Schattenbildung > Divergente und parallele Strahlen

Divergente und parallele Strahlen

Publikation: 25.10.2007
Lernstufe: 3
Dauer: Simulation in einem Raum, der sich verdunkeln lässt (ca. 15 Min.); Experimente und Messungen an einem sonnigen Ort im Freien (20 Min.)
Material: Für jede Gruppe von 3-5 Schüler/inne/n:
  • eine Taschenlampe
  • drei oder vier Bleistifte
  • Knete
  • ein großes Blatt Papier
  • ein Lineal mit Millimeterskala
  • dünne Schnur
  • Pauspapier
Herkunft: La main à la pâte, Paris. Originalversion: www.fondation-lamap.org/eratos

Simulation

Der/die Lehrer/in erklärt, dass gleich mehrere Bleistifte in einer Reihe auf den Tisch gestellt und mit einer Taschenlampe von hinten angestrahlt werden (die Taschenlampen aber noch nicht sofort verteilen!). Die Schüler/innen sollen vorhersagen, was passieren wird, wenn sie die Taschenlampe anmachen.

Anmerkung: Der/die Lehrer/in kann anhand der Antworten den Kenntnisstand der Schüler/innen hinsichtlich der geradlinigen Ausbreitung des Lichts ermessen, und die Schüler/innen werden sich über ihre eigene Argumentationsweise bewusst. Wenn sich nach dem praktischen Nachweis die Vorhersage als falsch erweist, verstehen die Schüler/innen bestimmt besser, warum sie sich geirrt haben.

Jede Gruppe von Schüler/inne/n erhält nun eine Taschenlampe und beleuchtet die auf einem großen Blatt Papier aufgestellten Bleistifte (siehe Abb. 4). Was fällt ihnen auf? Die Schüler/innen, die ihre Bleistifte in mehr oder weniger großen Abständen ungefähr in einer Reihe senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichtes aufgestellt haben, stellen sofort fest, dass die Schatten "auseinandergehen" und zwar umso mehr, je näher man die Taschenlampe an die Bleistifte hält (Abb. 4a). Sie sehen vielleicht auch, dass sich die Schatten wieder "aufrichten", wenn man die Taschenlampe weiter weg hält, ohne dass man es allerdings schafft, sie exakt in die gleiche Richtung zeigen zu lassen, weil "die Taschenlampe nicht stark genug ist und weil man sie nicht noch weiter weg halten kann". Fragen Sie dann, welche Lichtquelle stark und weit genug entfernt sein könnte, um zu erreichen, dass die Schatten alle in die gleiche Richtung zeigen. Sicher kommt eines der Kinder früher oder später auf die Sonne!

Anmerkung: Es ist möglich (aber nicht sicher), dass den Schüler/inne/n auffällt, dass sich die Schatten "aufrichten", wenn man die Taschenlampe immer weiter von den Bleistiften entfernt. Man kann sie auch fragen, ob man völlig parallele Strahlen erzielen kann. Auch hier sollte dem Experimentieren allerdings wieder eine Phase der Vorhersage vorausgehen (dazu sollte man den Kindern zeitweilig die Taschenlampen abnehmen). Wenn sie von selbst auf die Sonne als Lichtquelle kommen, umso besser. Man sollte das aber als Hypothese stehen lassen: "Einige von euch glauben, dass man mit der Sonne parallele Schatten erhalten wird, aber was denken die anderen?" Wenn die Kinder nicht auf die Sonne kommen, stellt der/die Lehrer/in die Frage: "Wie glaubt ihr werden die Schatten in der Sonne sein?" Damit kann man zum nächsten Experiment überleiten.

Skizze: Schatten der Bleistifte, wenn sie mit der Taschenlampe bzw. mit der Sonne beleuchtet werden

Abb. 4: Die Schatten sind parallel, wenn die Stäbe von der Sonne beleuchtet werden, jedoch divergent, wenn eine Taschenlampe benutzt wird.

Experiment im Freien

Die Schüler/innen stellen ihre Bleistifte in der Sonne auf. Unter der Voraussetzung, dass diese praktisch parallel aufgestellt (aber nicht unbedingt senkrecht) sind und dass der Boden an dieser Stelle eben (aber nicht unbedingt waagerecht) ist, stellen sie fest, dass die Schatten "völlig aufgerichtet" zu sein scheinen (Abb. 4b). Diejenigen, die die Frage Nr. 4 des Fragebogens richtig beantwortet haben, werden sich vielleicht an das Wort "parallel" erinnern. Wie kann man Parallelität überprüfen? Manche werden vorschlagen, die Abstände zwischen den Schatten an der Basis und an der Spitze zu messen. Dies funktioniert aber nur, wenn die Bleistifte gleich hoch sind. Dies ist eine Bedingung, die möglichst gut erfüllt sein sollte, ebenso sollten die Bleistifte möglichst parallel zueinander sein. Auf jeden Fall sollten die Bleistifte auf einem großen Blatt Papier stehen, auf dem man die Schatten sorgfältig umrandet, um sie anschließend im Klassenraum ausmessen zu können.

Messen und interpretieren

Nach dem Messen der Schatten und dem Vergleich der Messwerte (die um nicht mehr als plus minus einem halben Zentimeter voneinander abweichen sollten) werden die Schüler/innen zu dem Schluss gelangen, dass die Schatten wahrscheinlich parallel sind. Bevor sie daraus aber die Parallelität der Sonnenstrahlen ableiten können, müssen sie im Laufe zweier weiterer Simulationen – zuerst mit einer Taschenlampe und dann in der Sonne – weitere Beobachtungen machen.

Neue Beobachtungen

Zunächst geht es darum zu erkennen, warum die Schatten bei einer Taschenlampe auseinandergehen. Manche Kinder, die sich an die Skizze auf Millimeterpapier erinnern, werden vielleicht vorschlagen, mit einer Schnur die Lichtstrahlen darzustellen: von der Taschenlampe über die Spitze jedes Bleistifts bis zum Ende des jeweiligen Schattens (bei der praktischen Durchführung sollte man darauf achten, die störenden Schatten der Schnüre so weit wie möglich zu vermeiden). Die Schüler/innen werden Folgendes feststellen: "Weil die Schnüre auseinandergehen, gehen auch die Schatten auseinander" (Abb. 5a).

Skizze zur Verdeutlichung des Strahlengangs bei Beleuchtung mit Taschenlampe und Sonne

Abb. 5: Licht"schnüre" zwischen Lichtquelle und Schatten

Spitzfindige fügen vielleicht hinzu: "Aber dann müssten in der Sonne die Schnüre parallel sein!" (Abb. 5b). Dies ist natürlich völlig richtig, die auf der Erde ankommenden Strahlen waren schon parallel, als sie die Sonne verließen – alle Strahlen, die in eine andere Richtung gingen, haben die Erde nicht getroffen.

Schriftliche Verarbeitung

Die Schüler/innen veranschaulichen die gemachten Beobachtungen mit Zeichnungen und Erläuterungen.

Mögliche Erweiterungen

Der/die Lehrer/in schlägt den Schüler/inne/n vor zu versuchen, nach Augenmaß möglichst parallele Geraden zu zeichnen und deren Parallelität auf verschiedene Arten zu überprüfen, u.a. wie folgt: Die Schüler/innen übertragen die Lineatur von linierten Blättern auf Pauspapier und erhalten damit ein ziemlich dichtes Netz von wirklich parallelen Geraden. Dieses Netz wird auf die vorher nach Augenmaß parallel gezeichneten Geraden gelegt, und zwar so, dass sich eine dieser Geraden genau mit einer der Linien des Netzes deckt. Dann kann man prüfen, ob die anderen Geraden parallel dazu sind (Abb. 6a).

Skizze: Versuch zum Messen der Parallelität von Geraden

Abb 6: Sind die Geraden parallel oder nicht?

Danach legen die Kinder das Netz quer über die vorgezeichneten Geraden, messen jeweils Segmentpaare und vergleichen die Messwerte (Abb. 6b). Die Schüler/innen werden dabei auch sehen, dass es besonders einfach ist, auf kariertem Papier schräge, zueinander parallele Geraden zu zeichnen.

Letzte Aktualisierung: 28.6.2013

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