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Homepage > Aktivitäten > Astronomie > Himmel, Erde, Universum > Sonnenfinsternis: Simulation und Beobachtung > Simulation mit Ball und Projektor

Sonnenfinsternis: Simulation mit Ball und Projektor

Autor/inn/en:
Publikation: 22.9.2005
Lernstufe: 3
Übersicht: Mit einem Ball, der die Erde darstellt, und einem Pro­jektor als "Sonne" wird erneut eine Sonnenfinsternis simuliert.
Ziele:
  • Anhand von Beobachtungen und Experimenten in der Lage sein, die richtigen Fragen zu stellen.
  • Einige astronomische Phänomene verstanden haben, und diese im Modell nachstellen können.
Material:
  • Taschenlampen
  • 1 Projektor
  • kleine Figuren
  • 1 "Mondball" (etwa 15 cm Durchmesser) und 1 "Erdball" (etwa 60 cm Durchmesser)
  • Zylinder aus Pappe (15 cm Höhe)
  • weißes Bristolpapier
Herkunft: La main à la pâte, Paris

Ein Projektor als Sonne und Bälle als Erde und Mond

Die Schüler setzen sich so hin, dass sie, mit dem Projektor im Rücken, auf den beleuchteten "Erdball" schauen (siehe Abb. 1).

Schema der Sitzanordnung für die Simulation

Abb. 1: Sitzanordnung für die Simulation

Sobald die "Erde" in den Lichtstrahl des Projektors geschoben wird, erscheint hinter dem "Erdball" der von ihm erzeugte Schattenkegel. Ein Kind kann seinen Mitschülern zeigen, wie seine Hand grau wird, wenn sie hinter dem Ball ist.

Das Kind, das den Versuch durchführt, beschreibt das Ganze so: "Seht her! Ich lasse den Mond um die Erde kreisen; dabei lasse ich ihn absichtlich etwas zu hoch vorbeiziehen. Auf diese Weise wirft er keinen Schatten auf die Erde und das kleine Männchen bleibt im Hellen!" Der Lehrer greift diese Äußerung auf und fragt die anderen, wie sich der Mond der kleinen Figur zeigt. Die Schü­ler werden antworten, dass die Figur ihn nicht sehen kann, weil sie gerade die Nachtseite des Mondballs sieht. Es herrscht gerade Neumond.

Das Kind, das den Versuch durchführt, bereitet sich nun darauf vor, den "Mond" wiederum vor dem Projektor vorbeiziehen zu lassen, diesmal jedoch tiefer. Die anderen sagen das Ergebnis schon voraus: "Diesmal wird man den Schatten des Mondballs auf unserem Planeten sehen! Da ist er ja schon! Mach weiter! Lass ihn noch etwas weiter ziehen ... nicht so, sondern etwas tiefer! Der Schatten soll auf das kleine Männchen und seine Fahne fallen!"

Kind mit Mond- und Erdball

Abb. 2: Kind mit Mond- und Erdball

Der Mondball ist zu klein, um den ganzen Planeten zu verfinstern. Nur die klei­ne Figur und ihre Fahne können vom Schatten verdeckt werden! Genau dies geschieht nun: Der wandernde Schatten bleibt über der kleinen Person und ihrer gehissten Fahne stehen. Die Kinder sind begeistert: "Prima, das ist es! Beide sind verfinstert. Kann das denn auch in Wirklichkeit passieren?"

Bevor wir lächeln, müssen wir anerkennen, dass die Schüler äußerst logisch gedacht haben: Sie haben bei der vorliegenden Simulation erkannt, dass ihr der gleiche Mechanismus zugrunde liegt wie bei der Simulation mit der Büro­lampe. Nur haben Erde und Mond ihre Rollen getauscht, denn jetzt ist es der Planet Erde, der sich an einer bestimmten Stelle im Schatten des Mondballs befindet. Nun ist es angebracht, den Schülern zu erläutern, dass es sich hierbei nicht um eine lokale "Erdfinsternis" handelt, sondern um eine Finsternis, die die Erwachsenen seltsamerweise als "totale Sonnenfinsternis" bezeichnen! ( Eigentlich eine unlogische Bezeichnung, schließlich verdunkelt sich die Sonne nicht, sondern auf der Erde wird es dunkel.)

Die Simulation einer totalen Sonnenfinsternis

Damit sich die durch den Begriff "totale Sonnenfinsternis" verursachte falsche Vorstellung nicht in den Köpfen der Schüler verfestigt, müssen sie erkennen, dass das Adjektiv "verfinstert" aktiv und passiv gemein sein kann.

Der Lehrer bittet das Kind, das den Versuch diesmal durchführt, den Schatten auf die kleine Person und deren Fahne zu werfen. Dann bittet er ein anderes Kind, sich mit dem Rücken vor den Planeten zu stellen, so dass sich sein Gesicht genau im Kreis des projizierten Schattens befindet. Nun lachen seine Mitschüler: "Jetzt ist dein Gesicht verfinstert. Mach doch die Augen auf!" Vorsichtig öffnet es erst das eine, dann das andere Auge. "Na, was siehst du?" Jetzt greift der Lehrer ein und fragt die Gruppe: "Was meint ihr denn? Was kann das Kind sehen?"

Nach kurzem Zögern wird die – wenn auch noch unvollständige – Antwort aus ihnen heraussprudeln: "Er kann den Projektor nicht mehr sehen!" Das "ver­finsterte" Gesicht stimmt zu, aber ein kleiner Schlaukopf überlegt weiter und sagt: "Du musst trotzdem Licht um den Mondball herum sehen können, denn rund um dein Gesicht ist der Planet beleuchtet!"

Wieder stimmt das Kind, das den Versuch durchführt, zu. Der Lehrer bestätigt nun, dass die Erdbewohner tatsächlich, wenn sie sich in der gleichen Situation wie das Gesicht des Kindes befinden, die Sonne nicht mehr sehen, da sie voll­ständig vom Mond verdeckt ist. Andererseits wird die Sonnenkorona in diesem Moment sichtbar. Die Schüler werden nun einsehen, dass der Begriff "verfins­tert" in diesem Zusammenhang gleichbedeutend ist mit "verdeckt". Der Lehrer bekräftigt außerdem, dass die Erdbewohner, die sich außerhalb der Schatten­zone befinden, natürlich noch von der Sonne beleuchtet werden.

Jetzt kommen die Kinder vom einen zum anderen: "Eigentlich müsste sich um den Schattenkreis auch noch ein Halbschatten befinden, aber man sieht ihn nicht!" Der Lehrer bittet nun das Kind ein Auge zu schließen und den Kopf langsam zur Seite zu wenden, bis zu dem Punkt, an dem das geöffnete Auge einen Teil der Lichtquelle erblickt. Sogleich wird es sein Augenlid schließen, um nicht geblendet zu werden. Vor allem aber wird es seinen Kopf nicht weiter­bewegen.

Das Kind führt also aus, was von ihm verlangt wurde und sobald sein anderes Auge teilweise beleuchtet wird und sich dann sofort schließt, stellen seine Mitschüler fest, dass sein Auge sich im Grenzbereich des Schattenkreises befindet: "Sein Auge ist an der gleichen Stelle wie kürzlich das kleine Loch, das sich im Halbschatten unmittelbar neben dem Schatten befand. Im Loch sah man auch ein bisschen von der Lampe!" (Vorgriff auf den Schlüsselloch-Versuch) Der Lehrer muss nun nur noch eine letzte Frage stellen: "Wenn man nun also auf der Erde genau an dieser Stelle ist, direkt neben dem Schatten, das heißt im Halbschatten, was wird man dann sehen?" Dies ist nun für die Schüler offenkundig: "Da wird man nur ein Stück der Sonne sehen!"

Bevor der Projektor ausgeschaltet wird

Bevor das Licht des Projektors ausgeschaltet wird, will natürlich jedes Kind das Experiment durchführen und selbst den Anblick einer totalen und einer partiel­len Finsternis des Projektors erleben! Die Kinder in der Warte­schlange werden in aller Ruhe beobachten können, dass der Schattenkreis des Mondballs etwas größer ist als der Ball selbst, so wie ja auch der Schatten des "Planeten" an der Wand größer ist als der "Planet" selber. Der Lehrer wird anmerken, dass das Größenverhältnis der Schattenkegel bei diesem Experiment genau anders herum ist als bei Sonne, Erde und Mond. Das liegt daran, dass der Lichtstrahl des Projektors nur einen kleinen Durchmesser hat und die Sonne unendlich viel weiter von Erde und Mond entfernt ist als der Projektor von Erd- und Mondball.

Der Halbschatten

Wenn die Taschenlampen einen ziemlich glatten, möglichst kreisförmigen Re­flek­tor besitzen, dann kann man mit den hier vorgeschlagenen Spielen den Halbschatten sehen, und zwar auf sehr einfache Weise. Es genügt, die Lampe auf einen Stuhl oder einen Tisch zu legen, so dass sie einen vor sie hinge­stellten Gegenstand beleuchtet (am besten einen kleinen Zylinder aus Bristol­papier). In etwas weiterer Entfernung wird eine weiße Leinwand (ebenfalls aus Bristolpapier) am Stuhl oder der Tischplatte befestigt. Zwischen Lampe und Leinwand sollte die Oberfläche des Stuhls oder des Tisches ebenfalls weiß sein (einfach weißes Papier hinlegen). Der Lehrer teilt die Klasse in Zehnergruppen auf und führt das folgende Experiment vor. Die Schüler können es anschließend beliebig oft wiederholen.

Wenn die Taschenlampe angeschaltet ist, erkennen die Schüler den Schatten des Zylinders auf der Leinwand. Dabei bemerken sie zwei unterschiedliche Zonen: im Zentrum des Schattens eine dunkelgraue, um das Zentrum herum eine hellgraue. Der Lehrer erklärt nun, dass es sich bei letzterer um den Halb­schatten handelt. Mit einer sehr kleinen Scheibe aus Bristolpapier zeigt er, dass es Finsternisse gibt, die reine Halbschatten-Finsternisse sind. Die Kinder können erkennen, dass das Weiß kaum verdunkelt wird, wenn die Papier­schei­be die Zone des Halbschattens oben am Zylinder durchquert. Dies ändert sich, wenn man die Scheibe in die Schattenzone eintauchen lässt.

Versuchsanordnung zum Nachweis des Halbschattens

Abb. 3: Versuchsanordnung zum Nachweis des Halbschattens

Nun lenkt der Lehrer die Aufmerksamkeit der Schüler auf die Tatsache, dass die beiden Schattenzonen auch auf dem Tisch hinter dem Zylinder zu erkennen sind. Allerdings ist unmittelbar am Fuß des Zylinders noch kein Halbschatten zu sehen. Nähert man sich der Leinwand, wird er langsam immer größer. Ein Kind wird nun gebeten, den Zylinder langsam Richtung Leinwand zu schieben. Seine Mitschüler (denen das Wort "Halbschatten" noch nicht geläufig ist) meinen: "Der hellere Schatten wird immer, immer kleiner! Jetzt sieht man ihn über­haupt nicht mehr!" In der Tat ist kurz vor der Leinwand nur der dunkle, deut­lich konturierte Schatten des Zylinders zu sehen. Anschließend wird der Zylin­der in umgekehrter Richtung bis zur Lampe bewegt. Nun erkennen die Kinder, wie auf dem Tisch und auf der Leinwand der immer größer werdende Halb­schatten wieder auftaucht.

Schatten und Halbschatten durch das "kleine Schlüsselloch" beob­achten

Dieses Spiel ist eine Wiederholung dessen, was schon mit der Mondfinsternis gemacht wurde. Die Versuchsanordnung ist in Abb. 4 dargestellt. Es wurden lediglich der Zylinder und die Leinwand durch zwei Scheiben aus Bristolpapier ersetzt. Sie stehen der Lampe gegenüber (in der größeren Scheibe sind zu­nächst noch keine Löcher). Die beiden Scheiben sollen Erde und Mond dar­stellen. Noch bevor die Lampe angeschaltet wird, wissen die Kinder schon, was sich abspielen wird.

Anordnung zum Schlüssellochversuch

Abb. 4: Anordnung zum Schlüssellochversuch

Sobald Schatten und Halbschatten der kleinen Scheibe auf der großen Scheibe erscheinen, schlägt der Lehrer den jungen Forschern vor, mit einer Nadel vier Löcher in die große Scheibe zu stechen. Diese sollen auf einer Linie angeord­net sein, so dass man die ganze Lampe sieht (1. Loch), einen großen Teil der Lampe (2. Loch), einen kleinen Teil der Lampe (3. Loch). Schließlich soll sie gar nicht mehr sichtbar sein (4. Loch). Geradezu bedauernd werden die Schüler sa­gen: "Im letzten Loch wird es doch völlig dunkel sein. Wir werden noch nicht einmal die Sonnenkorona um die Lampe herum sehen können!" Wenn im Halbschatten und in der beleuchteten Zone drei Löcher in symmetrischer An­ordnung hinzugefügt werden, kann das Ende der Finsternis sichtbar gemacht werden: "Es sieht so aus, als würde man die Lampe wieder anschalten, zunächst ein wenig, dann stärker, schließlich mit voller Leuchtkraft."

Eine Sonnenfinsternis mit der Taschenlampe nachstellen – dabei den Halbschatten auftauchen und wieder verschwinden lassen

Die Kinder, die weiterhin zu zweit arbeiten, werden sicherlich mit Begeisterung "wie in echt" Sonnenfinsternisse simulieren. Man stellt ihnen nun zwei Kugeln von sehr unterschiedlicher Größe zur Verfügung. Die größeren sollten weiß sein (bemalte Bälle oder Styroporkugeln). Die Ergebnisse werden sogar noch deutli­cher sein als bei der Anordnung mit Projektor und "Erdball". Aufgrund der Re­flektoren der Taschenlampen und der Farbe der "Planetenkugeln" werden die Schüler beim vorliegenden Versuch nämlich auf den Kugeln einen Halbschat­tenrand rund um den Schatten der "Mondkugel" erkennen können.

Bei dieser Gelegenheit kann der Lehrer den Schülern zeigen, wie der Halb­schatten fast verschwindet, wenn die Lichtquelle nahezu punktförmig wird. Dazu öffnet man die Taschenlampen, klappt den Reflektor zurück oder entfernt ihn, sodass nur die "nackte" Glühbirne bleibt (sofern sie nicht mit dem Reflektor verbunden ist). Sogleich verschwindet der Halbschatten mit Ausnahme einer feinen Borte, die den auf die "Planetenkugel" projizierten Schatten – im Vergleich zum vorherigen Schatten – schärfer erscheinen lässt. Die Kinder werden ihren Spaß daran haben, den Halbschatten auf ihrer Kugel auftauchen und verschwinden zu lassen. Sie werden allerdings bemerken, dass doch ein kleiner Halbschatten erscheint, sobald sie die "Mondkugel" näher an die nackte Lampe bringen. Das liegt daran, dass die Lichtquelle nicht genau, sondern nur fast punktförmig ist.

Letzte Aktualisierung: 24.3.2015

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