Erde und Sonne
| Autor: | |
| Publikation: | 1.6.2001 |
| Lernstufe: | 3 |
| Übersicht: | Was sind Sonne und Erde? Gravitation und Erdmagnetfeld. Die Abfolge von Tag und Nacht. Die über das Jahr sich ändernde Dauer der Tage und Nächte. Das Phänomen der Jahreszeiten. |
| Dauer: | ca. 7 bis 8 Std. |
| Herkunft: | La main à la pâte, Paris |
Was sind Sonne und Erde?
Lernziel
Die Sonne ist ein Licht erzeugender heißer Gasball und die Erde eine Kugel.
Ablauf
- Sammeln von Vorstellungen (Was ist...? Wie ist die Gestalt von...? Zeichnungen und Formulierungen)
- Diskussion mit der ganzen Klasse
- Falls erforderlich: Analyse von Unterlagen
- Strukturierung
Kommentar der/des Lehrenden
Die meisten Kinder sind sich darin einig, dass die Sonne ein "großer
Feuerball" ist und Licht von sich gibt, das wärmt. Die meisten Schüler/innen
sind davon überzeugt, dass die Sonne größer ist als die Erde.
Kein Problem ist für die Kinder die Gestalt und die Zusammensetzung der Erde.
Sie wissen, dass die Erde ein Ball ist (der/die Lehrer/in wird dafür den
Begriff "Kugel" einführen), zusammengesetzt aus Gestein, Wasser und Gasen.
Außerdem strahlt sie ihrer Meinung nach kein Licht aus.
Andererseits ist es interessant, dass widersprüchliche Vorstellungen auftauchen. Während die Kinder zuweilen die Sonne als einen Stern begreifen, zögern sie nicht, die Sterne als Himmelsobjekte zu klassifizieren, die kleiner als die Erde sind. Hintergrund dieser Vorstellung ist vielleicht die "sichtbare Größe" der Sterne. Die Ursache dieses Widerspruchs rührt wohl daher, dass ihnen nicht klar ist, was ein Stern ist, während sie von der Sonne eine genauere Vorstellung haben.
Fazit: Diese Bestandsaufnahme muss natürlich noch geprüft werden. Diese Phase kann nicht einfach übergangen werden, sie ist für den Unterrichtsverlauf nötig.
Gravitation und Erdmagnetfeld: Der Erdmagnetismus
Lernziel
Die Erde hat eine Nord-Süd-Orientierung.
- Einen Kompass bauen
- Erste Schritte zur Anwendung eines Kompasses
Zu sagen, dass die Erde eine Orientierung habe, mag problematisch erscheinen. Eine "Orientierung" bezieht sich immer auf einen Bezugspunkt. Aber "Norden" und "Süden" sind auf der Erde selbst festgesetzt worden. Die Erde kann somit eigentlich nicht in Bezug auf sich selbst orientiert sein. Es geht hier hauptsächlich darum zu zeigen, dass es auf der Erde zwei interessante "Punkte" gibt: den Norden und den Süden.
[Anmerkung der Übersetzer: Die "Orientierung" der Erde ergibt sich durch die Achse, um die sie sich dreht. Diese Achse führt durch den Mittelpunkt der Erde und "stößt" an zwei Stellen durch die Erdoberfläche – an den so genannten geographischen Polen. Diese liegen allerdings nicht exakt an den Positionen der magnetischen Pole, also den Punkten, auf die eine Kompassnadel zeigt. Tatsächlich ist der genaue Zusammenhang zwischen der Drehung der Erde und ihrem Magnetismus ein immer noch nicht vollständig verstandenes Phänomen. Über längere Zeiträume, im Mittel ca. alle 250.000 Jahre, findet sogar eine Umkehrung des Magnetfeldes der Erde statt, so dass dann der magnetische Nordpol in der Nähe des geographischen Südpols liegt!]
Ablauf (45 Minuten)
Fragestellungen
- Wie kann man sich orientieren?
- Wie funktioniert ein Kompass?
- Sammeln von Vorstellungen
- Gemeinsame Diskussion
Der/die Lehrer/in schlägt ein Experiment vor
- Einen Kompass benutzen
- Einen Kompass bauen
Ein Kompass läßt sich recht einfach bauen. Man benötigt nicht viel mehr als eine Nadel. Man reibt die Spitze der Nadel 30 Sekunden lang an einer der beiden Seiten (Pole) des Magneten – dadurch erreicht man, dass die Nadel selbst magnetisch wird. Anschliessend wird die Nadel mit etwas Klebeband auf einem kleinen Stück Styropor befestigt und dieses in ein mit Wasser gefülltes Schale gelegt. Wenn das Stück Styropor und das Klebeband nicht zu schwer sind (und das Wasser sich beruhigt hat), wird sich die Nadel in Nord-Süd-Richtung drehen. Man kann sie anschliessend in eine andere Richtung verdrehen, sie kehrt aber immer wieder in die Nord-Süd-Richtung zurück.
Man muss natuerlich darauf achten, dass der Magnet, mit dem man die Nadel magnetisiert hat, nicht gerade in der Nähe der Schale liegt, so dass er die Richtung, in die die Nadel sich dreht, beeinflußen würde – wenn die Kinder aber begriffen haben, dass sich die Nadel immer wieder in Nord-Süd-Richtung ausrichtet, kann man sie natürlich auch untersuchen lassen, wie der Magnet auf die Nadel wirkt und damit das Verständnis stärken, dass die Erde auch ein Magnet ist.
Strukturierung
Der Kompass ist ein von der Erde angezogener Magnet. Auch die Erde selbst ist ein Magnet. Die Pole des Magneten Erde werden "Norden" und "Süden" genannt.
Kommentar der/des Lehrenden
Die meisten Kinder kennen den Kompass. Sie wissen im Allgemeinen, dass man
sich mit Hilfe dieses Gerätes auf der Erde orientieren kann. Nur wenige können
jedoch korrekt erklären, wie er funktioniert und wie man ihn benutzt.
Wie er genau benutzt wird ist in unserem Zusammenhang unerheblich. Der Kompass
ist Gegenstand einer eigenen Unterrichtseinheit, die meistens im Zusammenhang
mit Orientierungsläufen durchgeführt wird (Schnitzeljagd, Schatzsuche, usw.).
Was sagen die Kinder, wenn man sie fragt: "Wie funktioniert ein Kompass?"
- "Er richtet sich nach der Kälte, nach der Temperatur."
- "...nach dem Wind."
- "...nach dem Eis."
- "...nach den Magneten."
- usw.
Es ist somit nötig, ihnen die Funktion mit Hilfe eines Experiments vorzuführen
(dabei können Kompasse an ein Stück Eis gehalten werden oder an eine
Wärmequelle usw.).
Sobald den Kindern der Einfluss von Magneten klar geworden ist, kann man dazu
übergehen, Kompasse herzustellen, um die erworbenen Kenntnisse zu festigen. Es
geht hier aber nicht darum, die Wechselwirkungen zwischen Magneten zu
behandeln.
Es wäre schade, den Kindern diese Gelegenheit, einen Kompass anzufertigen,
vorzuenthalten, da die Anfertigung ganz einfach und für die Schüler/innen sehr
motivierend ist.
Natürlich ist es für die Strukturierungsphase der Unterrichtseinheit wichtig
zu erwähnen, dass die Erde selbst ein Magnet ist, man zeigt den Kindern auf
einem (nicht axial geneigten) Erdglobus Nord und Süd.
Gravitation und Erdmagnetfeld: Die Schwerkraft
Lernziel
Die Erde zieht die Menschen zu ihrem Mittepunkt hin, "deshalb fallen die Menschen auf der anderen Seite der Erde nicht herunter."
Ablauf (45 Minuten)
- Sammeln von Vorstellungen (Menschen auf der anderen Seite der Erde zeichnen
und die Zeichnung erklären);
- Gemeinsame Diskussion mit der ganzen Klasse (Woher können wir das wissen?);
- Unterlagen: Videos, Fotos, Zeitschriften, Internet usw.
Strukturierung
Die Erde zieht die Menschen zu ihrem Mittepunkt hin. Die Erde ist für Gegenstände "wie ein Magnet".
Probleme, die auftauchen können
Diese Unterrichtseinheit stellt für das Vorstellungsvermögen der Kinder
zahlreiche Probleme:
- Die Schreibrichtung (von links nach rechts, von oben nach unten).
Dies trifft nicht für jede Schrift zu (z. B. nicht für die arabische).
Aber unterrichtet werden ja zur Hauptsache Kinder, die Deutsch schreiben
gelernt haben.
- Sich in die Lage von jemand anderem versetzen.
- Oben und unten vertauschen.
Kinderzeichnungen
Bemerkungen zu den Kinderzeichnungen
Diese anfänglichen Darstellungen sind innerhalb der Klasse ziemlich unterschiedlich verteilt: Darstellung (1) kommt immer vor (zum Glück!), ist aber normalerweise sehr selten, wobei einige Kinder sich vorstellen, dass die Erde wie ein Magnet wirkt. Die Darstellung (2) tritt am häufigsten auf, aber auch der Darstellung (3) begegnet man nicht selten (1/3).
Darstellung (2) kann als perspektivische Ansicht interpretiert werden. Fragt man die Schüler/innen, so wird deutlich, dass sie davon ausgehen, dass die Australier/innen auf der Erde gehen.
Glücklicherweise schwenken viele Kinder während der Diskussion mit der gesamten Klasse zur "richtigen" Darstellung (1).
Obwohl die Interpretation verführerisch ist, genügt die Schriftrichtung wahrscheinlich nicht, um die Darstellungen (3) zu erklären. Häufig ist festzustellen, dass diese Kinder Schwierigkeiten haben zu verstehen, warum die Menschen "unten" nicht herunterfallen.
Man kann in diesem Fall leider keine Experimente machen, man kann lediglich in Büchern oder im Internet recherchieren.
Mögliche Erweiterung
Es empfiehlt sich, einen magnetisierten Erdglobus zu nehmen und ein kleines
Männchen darauf hin und her gehen zu lassen.
Diese Unterrichtsstunde ist notwendig, weil ansonsten die Frage "Warum fallen
die Menschen auf der anderen Seite der Erde nicht hinunter?" spätestens dann
auftritt, wenn man die Neigung der Erdachse thematisiert, um zu erklären,
weshalb die Dauer der Tage und Nächte sich ändert.
Meiner Meinung nach ist es nicht wesentlich, die Anziehungskraft zweier Massen
anzusprechen, die die Ursache für die Gravitation ist. Dies zu erklären, wäre
etwas zu schwierig.
Zur Erinnerung: Kraft F = Konstante x (Masse der
Erde x Masse des Gegenstandes) / Abstand zwischen dem
Gegenstand und dem Erdmittelpunkt im Quadrat.
Kurz gesagt: Obwohl diese Unterrichtsstunde die Kinder interessiert, ist die angesprochene Thematik sehr schwierig und es kann nicht davon ausgegangen werden, dass die ganze Klasse folgen kann.
Der Wechsel von Tag und Nacht
Diese Thematik kann mit einer Sonnenuhr eingeführt werden.
Lernziel
Eine schlüssige Erklärung für den Wechsel von Tag und Nacht finden
Ablauf (1,5 bis 2 Stunden)
- Sammeln von Vorstellungen (Erklären, warum es mal Tag, mal Nacht ist)
- Gemeinsame Diskussion (Wie entscheidet man sich?)
- Arbeit mit einem Modell in Zweiergruppen
| Wirklichkeit | Modell |
|---|---|
| Sonne | Taschenlampe oder Glühbirne |
| Erde | Styroporkugel (ohne Achse) |
| Mond | Styroporkugel (ohne Achse) |
| Berlin | Kreuz auf einer Kugel |
Die anfängliche Fragestellung wird umformuliert. Es gilt jetzt, "mindestens zwei Möglichkeiten zu finden, damit das Kreuz auf der Kugel mal von der Glühbirne beleuchtet ist, mal nicht."
Durch die gemeinsame Diskussion können allzu fantasievolle Vorschläge ausgeschlossen werden, indem sie den tatsächlichen Beobachtungen gegenüberstellt werden. Als Vorschläge verbleiben etwa die folgenden.
- Die Erde kreist um die feststehende Sonne, ohne sich um sich selbst zu drehen.
- Die Erde dreht sich um sich selbst, ohne sich um die feststehende Sonne zu drehen.
- Die Sonne dreht sich um die feststehende Erde.
- Die Erde dreht sich um sich selbst und auch die Sonne dreht sich.
- Die Erde dreht sich um sich selbst und auch um die Sonne.
Kommentar der/des Lehrenden
Es stellen sich mehrere Fragen: Warum mit einem Modell arbeiten? Warum zwei Möglichkeiten? Warum sollen alle fünf Möglichkeiten zur Diskussion gestellt werden?
Das Arbeiten mit einem Modell (die Ersetzung von realen Objekten durch solche,
die ihnen ähneln) ermöglicht den Kindern, bei der Suche nach einer
Erklärungsmöglichkeit aktiv tätig zu werden, da es unmöglich ist, ein
Experiment mit den realen Objekten durchzuführen.
- Wenn man sie bittet zwei Erklärungsmöglichkeiten zu finden, werden sie
gezwungen anders zu denken und sie stellen fest, dass es für dasselbe Phänomen
eventuell verschiedene Erklärungsmöglichkeiten gibt.
- Anhand der bloßen Feststellung, dass es den Wechsel von Tag und Nacht gibt,
kann man noch nicht entscheiden, welche der fünf Erklärungsmöglichkeiten
stimmt. Hierzu bedarf es weiterer Informationen.
Die häufigsten Erklärungsversuche
- Die Erde dreht sich um die Sonne und/oder sie dreht sich um sich selbst.
- Die Sonne dreht sich um die Erde.
- Der Mond versteckt die Erde.
- Es gibt jemanden, der die Sonne "ausmacht".
- Die Wolken verstecken die Erde.
- Der Tag ist zum Spielen da und die Nacht zum Schlafen.
Bemerkungen zu den Erklärungsversuchen
Die letzte Erklärung wird oft von Kindern mit Lernschwierigkeiten geäußert, sie verharren in einem "radikalen Egozentrismus" (Piaget). Sie erkennen jedoch oft ihren Irrtum, wenn sie mit den anderen Erklärungen konfrontiert werden.
Die Erklärungsversuche, die davon ausgehen, dass etwa der Mond oder die Wolken
die Erde verstecken, oder dass die Sonne "ausgemacht" wird, werden von den
Kindern schnell fallen gelassen, sobald man Bezüge zur Realität herstellt (man
sieht nie, dass die Sonne "ausgemacht" wird. Wolken sind nicht jeden Tag am
Himmel zu sehen. Außerdem kann man beobachten, wie die Sonne am Horizont
"verschwindet".) Der Mond macht den Kindern mehr Probleme, denn für sie ist er
nachts immer da, er muss also irgendeine Funktion haben!
Zum Glück sieht man nicht jeden Tag eine Finsternis!
Nach dem Arbeiten mit dem Modell ergibt sich durch das gemeinsame Gespräch, dass noch drei bis vier stimmige Erklärungen übrig bleiben. Dass jemand die Sonne ausmache, wird zum Glück nur selten vorgeschlagen.
Die meisten Kinder wissen, dass die Erde sich um sich selbst und um die Sonne dreht. Dass sie dies wissen, bedeutet allerdings noch nicht, dass sie es auch verstanden haben.
Ratschläge
- Man sollte vor der Arbeit mit dem Modell keine Angst haben, umso weniger als
es in dieser Phase wenig Verständnisprobleme gibt.
- Das Material sollte erst dann verteilt werden, wenn der Arbeitsauftrag
formuliert worden ist ("Findet zwei Möglichkeiten...").
- In den Zweiergruppen können die verschiedenen Gesichtspunkte gut diskutiert
werden.
- Der Geräuschpegel wird steigen. Das ist kein Problem, solange die Kinder
über das Thema sprechen!
Wenn sie vom Thema abschweifen, können Sie die Kinder bitten die Materialien beiseite zu legen und darüber Auskunft zu geben, was sie bisher verstanden haben. Wenn auch dies nicht weiterführt, fahren Sie mit der Arbeit am Modell fort, wobei Sie den Arbeitsauftrag neu formulieren und außerdem ein Beispiel vorführen. Ein/e schwache/r Schüler/in sollte in seinen Worten wiedergeben, was zu tun ist.
- Um Ablenkungen bei der gemeinsamen Diskussion zu vermeiden, sollten Sie das
Material vorher einsammeln, ansonsten kann es passieren, dass plötzlich Kugeln
durch den Klassenraum rollen.
- Achten Sie darauf, dass mit den Taschenlampen nicht etwa "Laserkämpfe"
durchgeführt werden!
- Falls nicht genügend Taschenlampen zur Verfügung stehen, selbst nachdem Sie
die Schüler/innen gebeten haben, welche mitzubringen, so können Sie eine Lampe
in die Mitte der U-förmig angeordneten Klasse stellen. Eine solche Anordnung
fördert auch die heliozentrischen Erklärungsversuche (die Sonne im
Mittelpunkt).
Die unterschiedliche Dauer der Tage und Nächte
Vorbemerkung
Wenn man zu diesem Zeitpunkt die unterschiedliche Dauer der Tage und Nächte hervorhebt, bringt man entscheidende zusätzliche Informationen ins Spiel, die dazu führen, dass einige der von den Schüler/inne/n vorgebrachten Erklärungsversuche zum Wechsel von Tag und Nacht eliminiert werden können.
Zunächst wird festgestellt, dass Tage und Nächte im Ablauf eines Jahres nicht gleich lang sind (Phase 1). Anschließend muss für dieses Phänomen eine Erklärung gefunden werden (Phase 2).
Phase 1
Lernziele
Aufzeigen, dass Tage und Nächte nicht gleich lang sind.
Zeiten addieren und insbesondere voneinander abziehen können.
Eine Grafik erstellen.
Ablauf (1,5 Stunden)
Sammlung von Vorstellungen (Haben die Tage und Nächte im Verlauf eines Jahres
immer dieselbe Dauer?)
Gemeinsame Diskussion
Unterlagen: Kalender (mit Angaben zu Sonnenaufgang und Sonnenuntergang in
Weltzeit, d.h. Greenwich Mean Time), Einzelarbeit.
Arbeitsanweisung
Für jeden Monat eine mittlere Tagesdauer berechnen (oder die Dauer eines bestimmten Tages aufschreiben). Diese Werte werden dem Kalender entnommen.
| Monat | Sonnenaufgang | Sonnenuntergang | Dauer |
|---|---|---|---|
| 21. Januar | 7h 30m | 16h 30m | |
| 21. Februar | 6h 45m | 17h 15m | |
| 21. März | 6h 00m | 18h 00m | |
| 21. April | 4h 45m | 18h 45m | |
| 21. Mai | 4h 00m | 19h 30m | |
| 21. Juni | 3h 45m | 20h 00m | |
| 21. Juli | 4h 15m | 19h 45m | |
| 21. August | 5h 00m | 19h 00m | |
| 21. September | 5h 30m | 17h 45m | |
| 21. Oktober | 6h 30m | 16h 45m | |
| 21. November | 7h 15m | 16h 00m | |
| 21. Dezember | 7h 45m | 16h 00m | |
| 21. Januar | 7h 30m | 16h 30m |
Die Subtraktion wird folgendermaßen durchgeführt: Stunden und Minuten dürfen nicht vermischt werden. Sie müssen also getrennt voneinander subtrahiert werden.
| A | oder B | ||
| 16h 45m | 20h 00m | 19h 60m | |
|
–6h 30m |
–3h 45m |
–3h 45m |
|
| 10h 15m | unmöglich | 16h 15m | |
| leicht | schwierig | ||
Die Rechnung ist auch mit einem Zeitpfeil möglich:
Man kennzeichnet die Zeit des Sonnenaufgangs und addiert die Stunden und Minuten bis zum Untergang.
Mit Hilfe der ausgefüllten Tabelle kann eine Grafik erstellt werden:
Strukturierung
Die Grafik macht deutlich, dass die Tage im Sommer länger sind als im Winter (16 Stunden und 15 Minuten im Sommer und 8 Stunden und 15 Minuten im Winter). Bei der Nacht ist es umgekehrt.
Phase 2
Lernziele
- Zeigen, dass die Erde sich um sich selbst dreht, während sie sich um die
Sonne dreht.
- Erklären, warum Tage und Nächte im Verlauf des Jahres von unterschiedlicher
Dauer sind.
Ablauf (1,5 Stunden)
1. Wie man "zeigen" kann, dass die Erde sich um die Sonne und um sich selbst dreht.
Wir besitzen zwei Informationen:
- Ein Tag dauert 24 Stunden.
- Die unterschiedliche Länge der Tageszeiten (siehe Grafik) verteilt sich auf
365 Tage.
Unter den fünf Erklärungsversuchen zum Wechsel von Tag und Nacht müssen nun
jene gesucht werden, die zwei Perioden (Tag und Jahr) enthalten. Das Wort
"Tag" ist leider zweideutig, es bezeichnet sowohl den 24-stündigen Tag als
auch die helle Tageszeit.
Es verbleiben also folgende Erklärungsversuche:
4) Die Erde dreht sich um sich selbst und auch die Sonne dreht sich.
5) Die Erde dreht sich um sich selbst und auch um die Sonne.
Letztendlich sind beide Erklärungen gleichwertig und unterscheiden sich nur
durch den Standpunkt des Beobachters. An dieser Stelle hilft nur ein
Autoritätsargument weiter: Die Astronauten haben gesehen, dass die letzte
Erklärung die richtige ist.
Man bedenke, dass der Heliozentrismus nur durch die Analyse mehrerer
Planetenbewegungen, wie die der Venus und des Mars, aufgezeigt werden kann
(was für die Schüler/innen viel zu schwierig ist).
Strukturierung
Die Erde dreht sich in 24 Stunden um sich selbst und in 365 Tagen um die Sonne.
Warum ändert sich die Dauer der Tage und der Nächte?
Sammeln von Vorstellungen
Gemeinsame Diskussion
Arbeiten mit einem Modell: Nun werden die Kugeln mit einer Rotationsachse
versehen.
Arbeiten mit einem Modell in Zweiergruppen. Material: 1 Kugel pro Gruppe,
eine Taschenlampe für jede/n Schüler/in.
| Wirklichkeit | Modell |
|---|---|
| Sonne | Taschenlampe oder Glühbirne |
| Erde | Styroporkugel (mit Achse) |
| Berlin | Kreuz auf der Kugel |
Die Ausgangsfrage wird umformuliert: "Was muss man tun, damit bei einer Drehung das Kreuz auf der Kugel länger beleuchtet als nicht beleuchtet ist?"
Die Sitzordnung der Klasse sollte wieder U-förmig sein.
Mit einigen Schwierigkeiten (die wir später besprechen) stellt man fest, dass das beste Mittel darin besteht, die Achse der Kugel in Bezug auf die Glühbirne zu neigen.
Gemeinsam: Man nimmt einen großen Erdglobus und lässt ihn langsam, aber gleichmäßig um sich selbst drehen. Dabei vergleicht man die Dauer, während der das Kreuz beleuchtet ist, mit jener Dauer, während der das Kreuz nicht beleuchtet ist.
Strukturierung
Wenn man die Umlaufbahn 1 (nördliche Halbkugel im Winter) und die Umlaufbahn 2 (südliche Halbkugel im Sommer) miteinander vergleicht, stellt man fest, dass mehr als die Hälfte der Umlaufbahn 2 im Hellen ist, d.h. dort sind die Tage länger als die Nächte. Das Umgekehrte gilt für die Umlaufbahn 1 (Erklärung für Erwachsene).
Die Erdachse ist um etwa um 23 Grad gegenüber der Vertikalen geneigt, im Sommer in Richtung Sonne, im Winter nach außen. Deswegen ist es in Berlin im Sommer länger hell als im Winter.
Kommentar der/des Lehrenden
Aufzeigen der unterschiedlichen Dauer:
Im Allgemeinen wissen die Kinder, dass die Tage (die hellen Tageszeiten) im
Sommer länger sind als im Winter. Sie wissen jedoch nicht, dass der längste
Tag doppelt so lang ist wie der kürzeste. All diese Kenntnisse werden durch
diese Aktivität gefestigt.
Der erste Teil (Berechnung der Tagesdauer und Erstellung der Grafik) bringt einige Schwierigkeiten mit sich, vor allem die Subtraktion betreffend. Man sollte sich deswegen für diese Phase Zeit lassen (mindestens 3 Stunden).
Das Subtrahieren von Zeiten sollte systematisch geübt werden. Man darf aber nicht vergessen diesen Übungen einen Sinn zu geben. Bevor mit den Übungen zur Subtraktion begonnen wird, sollte zunächst die Frage nach der unterschiedlichen Dauer der Tage und Nächte gestellt werden.
Wenn die Subtraktion für die Kinder zu schwierig ist, kann mit einem Zeitpfeil gearbeitet werden. Man geht einfach von der Zeit des Sonnenaufgangs aus und addiert so viele Stunden und Minuten bis die Zeit des Sonnenuntergangs erreicht ist.
Die Erstellung der Grafik bereitet den Kindern im Allgemeinen viel weniger Mühe als erwartet. Allerdings haben einige Kinder Probleme damit, den Unterschied zwischen dem Bereich unter der Kurve (= Dauer der hellen Tageszeit) und jenem über der Kurve (= Dauer der Nacht) zu verstehen. Vielfach verwechseln sie die Zahlen an der vertikalen Achse mit den Stunden des Tages. Wenn man tatsächlich die Tageszeit auftragen würde, sähe die Grafik folgendermaßen aus.
Diese Verwechslung wird ihnen erst bewusst, wenn der/die Lehrer/in wieder auf die Tabelle zurückkommt und diese mit der Grafik in Verbindung bringt.
Wie man "zeigen" kann, dass es sich um zwei Drehungen handelt.
Wenn man die zwei Perioden (24 Stunden und ein Jahr) mit den Erklärungsversuchen zum Wechsel von Tag und Nacht in Verbindung bringt, hat das den Vorteil, dass man kein Autoritätsargument einführen muss, um die Drehung der Erde um sich selbst zu erklären. Die Kinder verstehen diesen Schritt sehr schnell und finden problemlos die Erklärungen, die diese zwei Perioden berücksichtigen.
Arbeit mit dem Modell:
Zweifellos ist diese Unterrichtsstunde die schwierigste im Verlauf der ganzen
Unterrichtseinheit. Die Schüler/innen haben nämlich zunächst keine oder nur
wenige Ideen, um die unterschiedliche Dauer der Tage und Nächte zu erklären.
Im Allgemeinen werden folgende Ideen vorgebracht:
- Im Winter ist die Erde weiter von der Sonne entfernt.
- Die Erde dreht sich unterschiedlich schnell.
- Die Jahreszeiten (?!)
- Die Erdachse ist geneigt (wird selten genannt).
Die Bedeutung der Entfernung scheint allen Kindern zunächst einsichtig, weil die zugrunde liegende Idee leicht zu verstehen ist. Die Arbeit mit dem Modell (und zwar mit einer ziemlich starken Glühbirne von 75 bis 100 Watt) zeigt jedoch sehr schön, dass die Entfernung keine Rolle spielt.
Da die Kinder wissen, dass ein Tag immer 24 Stunden dauert, erweist sich für sie im Verlauf des Gesprächs eine unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde als wenig glaubhaft. Um die regelmäßige Rotation der Erde zu demonstrieren, kann auch mit einer Sonnenuhr gearbeitet werden (15 Grad entsprechen immer einer Stunde).
Das Hauptproblem ist folgendes: Was kann man tun, damit die Kinder selbst auf
die Idee kommen, dass, sobald die Erdachse geneigt wird, die Dauer der Tage
nicht mehr dieselbe ist wie diejenige der Nächte?
- Zunächst: Als Achse sollte ein Stab dienen, um zusätzliche Bewegungen zu
vermeiden.
- Die Kinder müssen aufgefordert werden, die Erde gleichmäßig um ihre Achse
drehen zu lassen, und mit einer Stoppuhr die Zeit einer Umdrehung zu messen.
- Wenn der Zusammenhang weiterhin nicht erkannt wird, stellen Sie den
Schüler/innen folgende Aufgabe:
"Findet eine Position der Erde, bei der das Kreuz immer beleuchtet ist, auch
dann, wenn die Kugel sich um sich selbst dreht."
Nun ereignet sich das kleine Wunder, denn die Kinder tun folgendes:
Nun verlangt man von ihnen: "Findet eine Position der Erde, bei der das Kreuz
während der Drehung der Kugel gleich lang beleuchtet und nicht beleuchtet
ist."
Sie werden folgende Lösung finden:
Schließlich verlangt man von ihnen, jene Position zu finden, bei der das Kreuz
länger beleuchtet als nicht beleuchtet ist.
Sie werden diese Position auch entdecken!
Um die Ausgangsfrage zu beantworten: Es genügt, eine Position zu finden, die
dazwischen liegt!
Achtung! Die Grenze zwischen Schatten und Licht entspricht nicht der Nord-Süd-Achse. Dieser Unterschied ist von grundsätzlicher Bedeutung und muss den Schülern/innen vermittelt werden.
Das Phänomen der Jahreszeiten
Lernziel
- Einen Bezug zwischen Licht und Wärmeenergie herstellen.
- Das Phänomen der Jahreszeiten erklären.
(Die Kinder verbinden mit den Jahreszeiten auch die Niederschläge und die
Veränderungen der Pflanzenwelt. Vor allem aber bringen sie sie mit der
Temperatur in Verbindung.)
Ablauf (1,5 bis 2 Stunden)
- Sammeln von Vorstellungen (Die Kinder erklären mit Zeichnungen und in ihren eigenen Äußerungen, warum es Jahreszeiten gibt.)
-
Gemeinsame Diskussion, in der zusätzliche Informationen gegeben werden:
- Anfang Januar beträgt die Entfernung Erde-Sonne 147 000 000 km
- Anfang Juli beträgt die Entfernung Erde-Sonne 152 000 000 km
- Die Jahreszeiten auf der südlichen und der nördlichen Hemisphäre sind einander entgegengesetzt.
- In der nördlichen Hemisphäre ist die Erde im Sommer weiter von der Sonne entfernt als im Winter.
- Die Entfernung der Erde zur Sonne erklärt nicht das Phänomen der Jahreszeiten!!
-
Experiment
Arbeit in wechselnden Lernateliers: 3 mal 4 Gruppen à 2 Teilnehmer/innen- Thermometer
- Taschenlampen
- Solarzellen
- Licht und Wärme
- Entfernung und Neigung
- Strukturierung:
Die Rotationsachse der Erde bleibt für jemanden, der das System Erde-Sonne aus
weiter Entfernung betrachtet, das ganze Jahr hindurch in derselben Weise
geneigt (siehe die obige Zeichnung).
Achtung: Auf der linken Seite der Zeichnung ist es auf der nördlichen
Hemisphäre Winter, auf der rechten Seite ist auf derselben Hemisphäre
Sommer. Für die südliche Hemisphäre trifft jeweils das Gegenteil zu.
Im Sommer ist also die Erdachse zur Sonne hin geneigt. Die Sonnenstrahlen fallen kräftig ein: Es ist warm.
Im Winter ist die Erdachse von der Sonne weg geneigt. Die Sonnenstrahlen streifen die Erde bloß: Es ist kalt.
Diese beiden Punkte sind schwer zu verstehen. Vielleicht sollte man mit einer oder mehreren Zwischenzeichnungen arbeiten. Ich benutze im Unterricht die Solarzellen oder den Karton mit den Thermometern, um auf die Verbindung zwischen dem vorliegenden Schema und der geneigten Erdachse hinzuweisen.
Kommentar des/der Lehrenden
Die häufigsten Vorstellungen sind die folgenden:
- gar keine Vorstellung (die Mehrheit)
- Die Entfernung Erde-Sonne ist im Winter größer als im Sommer (häufig).
- die Neigung der Erdachse (selten)
Wie bei der unterschiedlichen Dauer der Tage und Nächte, ist die Vorstellung, dass die unterschiedliche Entfernung einen Einfluss besitzt, für die Schüler/innen sehr verlockend, obwohl die Neigung der Nord-Süd-Achse schon bei der Erklärung der Dauer von Tagen und Nächten erkennbar war.
Warum?
Bevor die Kinder einen Bezug herstellen können zwischen geneigter Achse und
Jahreszeiten, müssen sie in ihrer Vorstellung zunächst mehrere Hindernisse aus
dem Weg räumen:
- Die Rolle der Entfernung entspricht einer Alltagserfahrung: Je weiter man
sich von einer Wärmequelle entfernt, umso kälter wird es.
- Der Bezug zwischen Neigung der Achse und Neigung der Strahlen wird nicht
sofort hergestellt.
- Und es ist vor allen Dingen noch nicht verdeutlicht worden, dass es einen
Bezug zwischen den Strahlen und der Wärme gibt.
Um den Zusammenhang erkennen zu können, ist es wichtig, dass die Schüler/innen diesen Zusammenhang mit Hilfe eines Experiments "spüren".
Die Information, dass "die Erde im Sommer weiter von der Sonne entfernt ist
als im Winter", reicht nicht, um den Kindern auf Anhieb ein Verständnis zu
ermöglichen, geschweige denn sie von der Bedeutung der Neigung zu überzeugen.
Da die Kinder in einem Verständniskonflikt sind, muss man ihnen gut
durchdachte Experimente anbieten, die es ihnen ermöglichen, ein ihrem
Vorstellungsvermögen angepasstes alternatives Erklärungsmodell zu entwickeln.
Organisation der Unterrichtsstunde
Diese Unterrichtsstunde kann auf mehrere Weisen organisiert werden:
- 2,5 Stunden: Wechselnde Lernateliers (jede/r Schüler/in beteiligt sich an
allen drei Lernateliers) und Zusammentragen der Ergebnisse (beste
Möglichkeit).
- 1,5 Stunden: Drei parallel laufende Lernateliers (jedes Kind beteiligt sich
nur an einem Lernatelier) und Zusammentragen der Ergebnisse (der/die
Schüler/in wird sich hierbei nur an sein eigenes Lernatelier erinnern und
nicht an die der anderen Schüler/innen).
Während der Strukturierung kann man auch auf die verschiedenen, von der Jahreszeit abhängigen Bahnen der Sonne hinweisen.
Die Sonne steht im Sommer höher und strahlt "stärker" auf die Erdoberfläche.
Zur Erinnerung: Warum führt die Neigung der Sonnenstrahlen zu einem Temperaturrückgang?
In der Position 1 fängt man 4 Strahlen auf (das entspricht der Lage im Sommer) und in der Position 2 nur 3 Strahlen (Winter). Der geneigte "Sonnenkollektor" (der die Sonne "einsammelt"), empfängt im Winter weniger Energie, d.h. die Temperatur ist niedriger.
Material
- eine Nadel, ein Stück Styropor, ein Klebestreifen, ein Magnet, ein Behälter
mit Wasser
- ein Kompass für jedes Kind, ein Magnet für zwei Kinder
- 2 Styroporkugeln, eine Lampe
- ein Kalender (mit Angaben zum Sonnenauf- und -untergang)
- ein Globus
- ein Diaprojektor
- Zeitschriften, Videos, DVDs, Fotos
- ein Thermometer
- eine Taschenlampe
- eine Solarzelle
