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Homepage > Aktivitäten > Astronomie > Himmel, Erde, Universum > Eratosthenes > Projektphase 1 > Taschenlampen-Experimente

Beobachtungen mit einer Taschenlampe nachahmen

Publikation: 25.10.2007
Lernstufe: 3
Dauer: ca. 45 Minuten, zuerst im (abgedunkelten) Klassenzimmer, dann im Freien
Material: Für jede Gruppe von 3-5 Schüler/inne/n :
  • Eine Taschenlampe, aus der man nach Möglichkeit den Hohlspiegel entfernt hat, damit die Schatten schärfer werden
  • Die Karte von Ägypten und die beiden "Stäbe" (oder einen Stab und die Kugelschreiberkappe)
Für das anschließende Experiment:
  • 3 nicht zu kurze Schrauben mit flachem Kopf
  • 1 Blatt kariertes Papier
Herkunft: La main à la pâte, Paris. Originalversion: www.fondation-lamap.org/eratos

Bei dieser Simulation können die Schüler/innen sehen, wie sich divergente Lichtstrahlen auswirken, und sie werden entdecken, wie man sie nach und nach "parallel" werden lassen kann.

Es geht wieder darum, die Beobachtungen des Eratosthenes nachzustellen, aber diesmal mit einer Taschenlampe anstelle der Sonne. Wenn gutes Wetter (Sonnenschein) zu lange auf sich warten lässt, können Sie das Projekt auch mit dieser Unterrichtsstunde beginnen. Stecken Sie wie bei der ersten Unterrichtsstunde in die Fotokopie der Karte von Ägypten einen Stab oder Bleistift an die Stelle der beiden Städte. Sie können für den Brunnenschacht in Syene auch eine Kugelschreiberkappe oder einen anderen von Ihren Schüler/inne/n vorgeschlagenen Gegenstand verwenden (siehe Abb. 1).

Aufgabe

Die Beobachtungen des Eratosthenes sollen Schritt für Schritt nachvollzogen werden, zunächst mit einer flachen Karte. Man muss die Taschenlampe so positionieren, dass sie den Boden des Brunnenschachts beleuchtet (oder keinen Schatten in Syene entstehen lässt, wenn man dort einen "Stab" aufgestellt hat – dass beides äquivalent ist, können Sie dadurch beweisen, dass Sie den Kugelschreiber in seine Kappe stecken, sobald die Lampe richtig positioniert ist). Was geschieht bei diesem ersten Schritt, wenn die Karte richtig flach liegt?

Die Kinder werden beobachten, dass der senkrecht in Alexandria stehende Stab einen Schatten wirft, genau wie auf der ersten Zeichnung, die sie gemacht hatten, als ihre Sonnenstrahlen nicht parallel waren. Dies entspricht also überhaupt nicht dem, was sie draußen in der Sonne gesehen haben. Dies bedeutet aber, dass die Strahlen der Lampe, anders als die der Sonne, nicht parallel sind...

Skizze, die die Situation bei Beleuchtung mit einer Taschenlampe zeigt

Abb. 6: Ein Schatten in Alexandria und keiner in Syene bei Beleuchtung der flachen Karte mit einer Taschenlampe

Neue Aufgabe

Kann man die Lampe so positionieren, dass der Schatten des Stabs kleiner wird, ja sogar verschwindet? Nach mehreren erfolglosen Versuchen merkt eine/r der mit der Lampe hantierenden Schüler/innen, dass der Schatten des Stabs in Alexandria kürzer wird, wenn man die Lampe höher über die Karte hält – immer genau über Syene. Nähert man die Lampe der Karte, wird der Schatten dagegen länger. "Und wenn man die Lampe bis zur Decke heben würde, könnte man den Schatten vielleicht ganz zum Verschwinden bringen?" Die Kinder versuchen daraufhin, die Lampe so hoch wie möglich über die Karte zu halten, und verstehen, dass die Lichtquelle sehr, sehr weit von der Karte entfernt sein muss, damit ihre Strahlen parallel ankommen. Dies ist genau das, was bei der Sonne geschieht: Davon sollten sich die Kinder zu einem späteren Zeitpunkt noch überzeugen.

Zeichung der Simulation

Anhand dieses Experiments zeigen die Schüler/innen in zwei Skizzen den Zusammenhang zwischen der Länge des Schattens und der Höhe der Lichtquelle. Sie verwenden hierzu eventuell eine von dem/der Lehrer/in vorbereitete Fotokopie, in die sie die beiden Lampen und die beiden Strahlenpaare einzeichnen müssen.

Skizze zur Verdeutlichung des Effekts nicht-paralleler Strahlen bei Variation des Abstands der Lichtquelle

Abb. 7: Änderung der Schattenlänge bei Beleuchtung mit einer Taschenlampe (nicht-parallele Strahlen) mit dem Abstand der Lichtquelle

Foto zweier von einer Taschenlampe beleuchteter Stäbe

Foto: Huguette Farges, Compiègne

Damit die Schüler/innen endgültig von der Parallelität der Sonnenstrahlen überzeugt werden, können Sie die Unterrichtseinheit mit folgendem Experiment beschließen oder sie daran erinnern, falls sie es schon gemacht haben.

Experiment im Freien

Nachweis der Parallelität der auf die Oberfläche der Erde fallenden Sonnenstrahlen

Die Kinder stellen zuallererst fest, dass die Linien eines karierten Blattes parallel sind. Es gilt jetzt nachzuweisen, dass die Schatten der auf das Blatt gestellten Gegenstände genau den Linien des Blattes folgen und mithin auch parallel sind. Dies zeigt, dass die Strahlen, die diese Schatten entstehen lassen, selbst auch parallel sind.

Fragen sie die Schüler/innen, was geschieht, wenn man die Sonne durch eine Taschenlampe ersetzt. Wenn sie ihre Vermutungen überprüfen, werden sie feststellen, dass die Schatten auseinander gehen, sich aber den Linien annähern, wenn man die Lampe weiter entfernt. Schlussfolgerung: Die Sonne ist wirklich sehr weit von der Erde entfernt, so weit, dass ihre Strahlen genau parallel ankommen. Die Sonne ist so weit weg, dass sie auf den Zeichnungen gar nicht erscheinen darf, wenn man ihre Strahlen richtig darstellen will!

Skizze der von Sonne bzw. Taschenlampe erzeugten Schatten

Abb. 8: Schatten, wie sie von der Sonne bzw. von einer Taschenlampe erzeugt werden

Sie können diese Unterrichtseinheit um die fakultative Untersuchung divergenter und paralleler Lichtstrahlen erweitern.

Sie können auch das zu Beginn dieser Projektphase vorgeschlagene Experiment wiederholen, mit dem die Krümmung der Erdoberfläche "wiederentdeckt" wurde und mit dem die Kinder mit den Beobachtungen des Eratosthenes vertraut gemacht wurden. Dadurch können Sie sich vergewissern, dass jedes von ihnen das Experiment in der Sonne gut verstanden hat.

Sie können die Kinder danach ein großes Plakat machen lassen, auf dem sie die Beobachtungen des Eratosthenes erklären. Sie sollten wieder von den beiden Hypothesen über die Form der Erde ausgehen, die Sonnenstrahlen jetzt genau parallel zeichnen und zu der Schlussfolgerung gelangen, dass die Erdoberfläche gekrümmt und nicht flach ist.

Anmerkungen

Im Verlauf dieser Projektphase werden manche Schüler/innen vielleicht einwenden, sie hätten schon gewusst, dass die Erde rund sei. Das ist zwar richtig, aber hier konnten sie mit Hilfe der von ihnen selbst durchgeführten Experimente nachweisen, dass die Erdoberfläche gekrümmt sein muss! Wenn sie auch nicht beweisen konnten, dass die Erde rund ist.

Nutzen Sie die Gelegenheit und weisen Sie auf alle Anzeichen hin, welche die Menschen vor über 2000 Jahren zu der Vermutung gelangen ließen, dass die Erde rund sei: Das allmähliche Verschwinden der Schiffsmasten am Horizont, die Form des Erdschattens auf dem Mond bei einer Mondfinsternis... Sie können auf den Sternenhimmel verweisen, den sich der/die eine oder andere Schüler/in schon einmal genauer angeschaut hat, und erwähnen, dass manche Sternbilder (wie der große Bär) zur gleichen Zeit nur von einer Hemisphäre aus sichtbar sind, dass der Sternenhimmel sich verändert, wenn man über große Entfernung reist usw. Man kann z.B. leicht feststellen, dass die Höhe des Polarsterns über dem Horizont abnimmt, wenn man nach Süden (und zunimmt, wenn man nach Norden) reist.

Es wäre schade, wenn Sie in dieser Projektphase die Schüler/innen nicht zu bibliographischen Recherchen (Lexika, Bibliothek oder Internet) über den großen Gelehrten Eratosthenes, die alexandrinische Bibliothek, Ägypten und seine fesselnde Geschichte anregen würden. An Stoff fehlt es nicht!

Letzte Aktualisierung: 28.6.2013

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