Wie viel Uhr ist es in Paris, in Peking oder in Sydney? – Die Zeitzonen

Autoren:	MJENR/DESCO und französische Académie des sciences/La main à la pâte
Publikation:	30.9.2002
Lernstufe:	3
Ziele:	An einem einfachen Erde-Sonne-Modell verschiedene Annahmen zur Erklärung des Wechsels von Tag und Nacht nachvollziehen können. Wissen, dass die Erde sich in 24 Stunden einmal um sich selbst dreht. Aus der Beobachtung der scheinbaren Bewegung der Sonne auf die Richtung der Erdumdrehung schließen können. An einem Modell oder in einer schematischen Zeichnung die ungefähre Ortszeit angeben können; das Prinzip der Zeitzonen verstanden haben.
Angestrebte Kenntnisse:	Himmel und Erde; die Erdrotation und ihre Folgen
Dauer:	ungefähr 10 Unterrichtsstunden à 45 bis 60 Minuten
Material:	Materialien für eine Schülergruppe: eine Zeitzonenkarte eine Taschenlampe für die Darstellung der Sonne eine kleine Kugel (zum Beispiel aus Styropor) mit Achse (Stricknadel, Holz­spieß oder Ähnliches) für die Darstellung der Erde. Die Größe der Kugel sollte zur Breite des Lichtkegels der Lampe passen, d. h. inner­halb des Kegels gut Platz finden. Sicherheitshalber sollte der Lehrer die "Pol­achse", d. h. die Stricknadel oder den Holzspieß, mittig durch die Kugel stechen. Materialien für die gemeinsame Erörterung: eine weiße Kugel zur Darstellung der Erde (größer als die Kugel der Schüler) ein Strahler oder eine möglichst helle Lampe [3]
Herkunft:	La main à la pâte, Paris
Bewertung:	(noch keine Bewertung)

In dieser Unterrichtseinheit wird die Drehung der Erde behandelt und, in einfa­cher Form, ihre unmittelbaren Folgen: der Wechsel von Tag und Nacht, die Zeitzonen. Die Städte Paris, Sydney und Peking wurden gewählt, weil ihre Lage auf dem Globus, wie sich im Laufe der Unterrichtseinheit zeigen wird, pädagogisch interessant ist:

• Sydney liegt auf der Südhalbkugel, in Bezug auf Paris fast auf dem entge­gengesetzten Meridian, so dass man sagen kann: "Wenn es Tag ist in Paris, ist es Nacht in Sydney".
• Die Meridiane von Peking und Paris liegen ungefähr um eine viertel Erdum­drehung auseinander, so dass man sagen kann: "Wenn es in Paris Mittag ist, beginnt in Peking die Nacht".

Möglicher Ablauf der Unterrichtseinheit

Die Ausgangsfrage dieser Unterrichtseinheit lautet: "Wie kommt es, dass in zwei weit voneinander entfernten Städten auf der Erde die Uhrzeit nicht die gleiche ist?" Die Frage ist nicht ganz einfach. Zur Beantwortung muss man ein paar Kenntnisse haben und sie vernünftig einsetzen:

• Die Erde dreht sich um sich selbst; dadurch entsteht der Wechsel von Tag und Nacht.
• Die Uhrzeit an einem Ort hängt vom Meridian (Längengrad) des Ortes ab.
• Man findet sich auf der Erdkugel mit Hilfe von wohl definierten Bezeich­nungen zurecht (Längen- und Breitengrad, Äquator, Pole, Halbkugeln bzw. Hemisphären).

All diese Begriffe und Kenntnisse müssen nicht im Voraus erarbeitet werden. Die Ausgangsfrage ist der rote Faden, der zu den notwendigen Kenntnissen führt. Ganz ohne Vorkenntnisse geht es allerdings nicht:

• Selbst bei größtmöglicher Vereinfachung der Zeitzonenfrage muss als verstanden gelten, dass die Erde eine Kugel ist.
• Die Schüler müssen bereits wissen, dass die Uhrzeit nicht überall auf der Erde die gleiche ist. Im Allgemeinen wissen sie das auch, zumal eine ganz einfache Kenntnis bereits genügt ("Wenn es bei uns Tag ist, ist es auf der anderen Seite der Erde Nacht").

Unterrichts­stunde	Ausgangsfrage	Schülerarbeiten	Naturwissen­schaft­liche Herangehens­weise	Folgerungen, erreichte Ziele
vorbereitende Stunde	Beobachtung der Sonne in ihrem Tageslauf	Beobachtung	Beobachtung	Die Sonne steht zur Mittagszeit am höchsten.
Stunde 1	Wie kriegt man heraus, wie viel Uhr es in einem fernen Land ist?	Benutzung einer Zeitzonenkarte	Versachlichung und Formulierung der Fragestellung	Eine Weltkarte lesen können
Stunde 2	Warum ist es in Sydney Nacht, wenn es in Paris Mittag ist?	Sammeln und Vergleich der Meinungen	Erste Hypothesen	Die Schüler korrigieren und erweitern ihren Wortschatz.
Stunde 3	Welche Begriffe werden benö­tigt? (Pol, Äquator, Halbkugel, Meri­dian usw.)	Literaturrecherche	Literaturrecherche	Begriffsliste er­stellen. Den Äqua­tor, einen Meri­dian, Paris und Sydney auf eine Styroporkugel einzeichnen.
Stunde 4	Wie viel Uhr ist es in Sydney, wenn es in Paris zwölf Uhr mit­tags ist?	Erklärung anhand eines Modells: Lichtkegel + weiße Kugel	Nachstellung am Modell	Wenn es in einer der beiden Städte hell ist, liegt die andere im Dun­keln.
Stunden 5 und 6	Wie kann man den Wechsel von Tag und Nacht erklären?	Überlegter Um­gang mit dem Modell. Prüfung von Hypothesen anhand des Mo­dells.	Hypothesen und Modellversuche	Am Modell lassen sich widersprüch­liche Hypothesen nicht immer klä­ren.
Stunde 7	Wie viel Uhr ist es in Peking, wenn es in Paris Mittag ist?	Antwortsuche anhand des Modells	Es ergibt sich eine neue Fragestel­lung.	Erste Überlegun­gen zum Drehsinn der Erde
Stunde 8	In welche Rich­tung dreht sich die Erde um sich selbst?	Versuche mit Lichtkegel und weißer Kugel	Überlegung	Die Sonne bewegt sich von uns aus gesehen von links nach rechts, also bewegt sich die Erde vom Nordpol aus gesehen in umgekehrter Rich­tung.
Stunde 9	Es geht erneut um die Frage aus Unterrichts­stunde 7: Wie viel Uhr ist es in Peking, wenn es in Paris Mittag ist?	Versuche mit dem Modell	Lösung	Wenn sie den Drehsinn der Erde kennen, können die Schüler die Frage beantworten und gleichzeitig weitere Fragen erfinden.
Stunde 10	Wie lässt sich festhalten, was man verstanden hat?	Zweidimensionale Darstellung	Schematische Darstellung	Fotos, schemati­sche Zeichnungen, Anfertigung eines zweidimensionalen Modells

Obige Aufteilung ist natürlich nur ein Beispiel und kann je nach den Fortschrit­ten der Klasse und je nach Unterrichtsplan beliebig verändert werden. Die Unterrichtsstunde 3 sollte erst dann durchgenommen werden, wenn die Schü­ler feststellen, dass sie ihre Gedanken nicht klar ausdrücken können, weil ihnen die genauen Begriffe fehlen. Der Lehrer wird sehen, wann der geeignete Zeit­punkt gekommen ist. Die Literaturrecherche muss nicht unbedingt eine ganze Unterrichtsstunde in Anspruch nehmen. Der Lehrer kann die Schüler bitten, selbständig Begriffe nachzuschlagen, wenn sie sich des Sinns nicht sicher sind oder Uneinigkeit besteht. Die Unterrichtsstunde 4 ist einfach und kurz. Manche Lehrende nehmen sie lieber schon zusammen mit der Unterrichtsstunde 2 durch und lassen die Schüler angeben, wo Paris und Sydney auf ihrer Modell­kugel liegen.

Die Unterrichtseinheit kann in zwei Teile geteilt und der zweite Teil erst im fol­genden Schuljahr durchgenommen werden. Wir schlagen folgende Aufteilung vor:

• Im ersten Schuljahr (z. B. in der Klassenstufe 4) kann die Frage nach den verschiedenen Uhrzeiten in den verschiedenen Städten gestellt werden. Beantwortet wird sie anhand einer Weltkarte und eines Modells (Licht­kegel, Kugel). Den Schülern wird der Drehsinn der Erde vorgegeben. Damit wird die Hauptschwierigkeit der Unterrichtseinheit vorläufig umgangen.
• Im darauffolgenden Schuljahr wird in einer ersten Unterrichtsstunde das Thema wieder aufgefrischt. In den anschließenden Unterrichtsstunden geht es um die möglichen Erklärungen für den Wechsel von Tag und Nacht und den Drehsinn der Erde sowie um das schwierige Problem der Relativ­bewegung.

Vorbereitende Unterrichtsstunde: Beobachtung der Sonne in ihrem Tageslauf

Die pädagogische Vorbereitung der Schülerarbeit wird hier nicht im Einzelnen besprochen. Wir erinnern jedoch an die Lernziele dieser vorbereitenden Unterrichtsstunde:

• Klare begriffliche Unterscheidung von Uhrzeit und Zeitdauer
• Vereinfachte Beschreibung der scheinbaren Bewegung der Sonne im Tagesverlauf

Unterrichtsstunde 1: Wie kriegt man heraus, wie viel Uhr es in einem fernen Land ist?

In dieser Unterrichtsstunde wird das Wissen, das die Schüler über die Zeit­verschiebung haben, miteinander geteilt (die Uhrzeit ist nicht überall auf der Erde die gleiche). Außerdem lernen sie, wie man eine vereinfachte Weltkarte mit den Zeitzonen verwendet.

Gemeinsam die Fragestellung erarbeiten

Zur Einführung kann der Lehrer zum Beispiel einen Ausschnitt aus einer Nach­richtensendung vorführen. Er tut verblüfft: "Wie ist das möglich? In Paris (Basel, Berlin, Wien ...) ist es Abend und in dem Land ist es Mittag!... Kann das sein? Seid ihr nicht erstaunt?" Die Schüler sagen, was sie denken. Even­tuell wissen sie auch etwas aus ihrer eigenen Erfahrung. Der Lehrer wertet keine der Aussagen.

Jeder für sich

Jeder Schüler verfügt über eine Karte der Zeitzonen, auf der auch ein paar große Städte eingetragen sind. Es sollen folgende oder ähnliche Fragen beantwortet werden:

• "Es ist Mittag in Paris, wie viel Uhr ist es in Peking?"
• "Es ist 8 Uhr in Paris, wie viel Uhr ist es in New York?"
• "Es ist 14 Uhr in Moskau, wie viel Uhr ist es in Dakar?"
• "Es ist 15 Uhr in Mexiko, wie viel Uhr ist es in Neu Delhi?" usw.

In kleinen Gruppen

Die Schüler vergleichen ihre Antworten. Stimmen sie überein, stellen sie sich gegenseitig neue Fragen. Sind sie sich uneins, fragen sie den Lehrer, der vor­schlagen kann, den Stundenschieber und die Weltkarte mit den Zeitzonen zu benutzen.

Gemeinsam

Der Lehrer wiederholt den Umgang mit der Karte und bittet die Schüler zum Schluss, sich bei den Erwachsenen in ihrer Umgebung nach Erfahrungen mit der Zeitverschiebung zu erkundigen. Zusätzlich, und wenn die Unterrichts­stunde damit nicht überfrachtet wird, kann er noch folgende Anmerkungen anbringen:

• Man teilt die Welt in 24 Zeitzonen ein, weil der Tag 24 Stunden hat.
• Wir haben uns auf die Uhrzeit in Europa bezogen. Das ist bequem, weil wir hier leben und weil es einer historischen Rolle der europäischen Länder entspricht, der Bezug ist jedoch beliebig. Die Karte könnte auch auf einen Nullpunkt (der Zeitverschiebung) anderswo in der Welt bezogen sein.

Unterrichtsstunde 2: Warum ist es in Sydney Nacht, wenn es in Paris Mittag ist?

Die Schüler versuchen zu erklären, warum die Uhrzeit nicht überall auf der Erde die gleiche ist. Ihr Wortgebrauch ist dabei nicht immer der richtige. Es ist das Ziel dieser Unterrichtsstunde, dass sie sich dessen bewusst werden, und er­kennen, wie wichtig es ist, sich genau auszudrücken.

Gemeinsam

Der Lehrer fasst zusammen, was die Schüler zusätzlich (von befragten Er­wachsenen) erfahren haben. Dann schlägt er folgende Arbeit vor: "Versucht zu erklären, warum es in Sydney Nacht ist, wenn es in Paris Mittag ist." Die Frage beschränkt sich vorläufig auf die beiden Städte, die in etwa auf entgegenge­setzten Meridianen liegen, und auf eine bestimmte Tageszeit (vorläufig inte­ressiert nur der Tag-Nacht-Unterschied).

In kleinen Gruppen

Die Schüler arbeiten an einem Plakat, das mit Text und Zeichnungen ihre Vor­stellung zum System Sonne-Erde zum Ausdruck bringen soll. Viele Gruppen liefern Erklärungen, die "in die richtige Richtung" gehen. Andere sind zumindest nicht falsch: "Die Sonne scheint nicht überall gleichzeitig"; "Die Sonne kann nicht gleichzeitig in Paris und in Sydney scheinen"; "Paris liegt auf der einen Seite der Erde, Sydney auf der anderen". Oft irren sich die Schüler aber auch und/oder drücken sich ungenau aus: "Paris und Sydney liegen nicht auf der gleichen Halbkugel"; "Paris liegt oben, Sydney unten"; "Sydney liegt auf dem Äquator, Paris nicht", usw.

Abb. 1 und 2: Plakate der Schüler zur Erläuterung des Systems Sonne-Erde

Gemeinsam

Die Schüler stellen ihre Erklärungen vor. Der Lehrer notiert im Hinblick auf die folgende Unterrichtsstunde Worte und Ausdrücke, die die Schüler verwenden. Er erläutert, dass nun erstmal anhand von Büchern und/oder des Internets die Worte und Begriffe auf ihre Richtigkeit geprüft werden müssen. Die Schüler werden gebeten zu sammeln/mitzubringen, was sie in der Hinsicht finden können.

Unterrichtsstunde 3: Welche Begriffe werden benötigt? (Pol, Äquator, Halbkugel, Meridian usw.)

Die Schüler sind sich bewusst, wie wichtig und notwendig genaue Begriffe sind und ziehen entsprechende Sachbücher oder das Internet zu Rat.

In kleinen Gruppen

Die Schüler stellen eine kleine Wortliste auf: Pole, Äquator, Halbkugeln (Hemi­sphären), Meridiane (Längenkreise). Sie können, wenn sie möchten, eine ver­einfachende Skizze erstellen. Sie benutzen verschiedene traditionelle Quellen, die sie zu Hause oder in der Bücherei oder im Dokumentationszentrum finden: Wörterbücher, Sachbücher, Zeitschriften, Enzyklopädien, Atlanten, historische Weltkarten (mappae mundi), Weltkarten aus der Schulsammlung und Materia­lien aus dem Internet.
Internetseite zu den Zeitzonen: www.zeitzonen.de

Gemeinsam

Der Lehrer begutachtet die gefundenen Begriffsbestimmungen, hilft gegebe­nenfalls sie zu verstehen und bespricht die Schwierigkeiten, die ihm aufgefallen sind (siehe Abb. 3).

Jeder für sich

Die Schüler werden an die in der vorangegangenen Unterrichtsstunde aufge­fallenen falschen Begriffe erinnert und ersetzen sie durch die richtigen.

   [D]

Abb. 3: Schüler definieren einige der Begriffe.

Unterrichtsstunde 4: Wie viel Uhr ist es in Sydney, wenn es in Paris zwölf Uhr mittags ist?

Die Schüler kennzeichnen auf einer weißen (Styropor-)Kugel die beiden Pole, ziehen die Äquatorlinie und einen Längenkreis. Sie markieren Paris und Sydney und führen ihren ersten Modellversuch durch.

Ziele

Es sollen die in der vorherigen Unterrichtsstunde bestimmten Begriffe auf einer (die Erde darstellenden) weißen Kugel veranschaulicht werden (siehe Abb. 4). Damit soll der Gebrauch der definierten Begriffe gefestigt werden. Die Schüler sollen Fragen beantworten können wie: "Wie stehen im Modell "Erde" und "Sonne" zueinander, wenn in Paris Mittag ist und wie, wenn in Sydney Mittag ist?" Sie sollen dadurch verstehen, dass jeweils in der anderen Stadt Nacht ist.

Abb. 4 und 5: Modell der Erde. In Abb. 5 scheint von links die Sonne auf die Erde.

In den hier abgebildeten Fotos bilden die Richtung der "Sonnenstrahlen" und die Erdachse einen rechten Winkel, was nur zu Zeiten der Tagundnachtglei­chen zutrifft. Dieses Problem muss mit den Schülern nur dann besprochen werden, wenn sie selbst einwenden, dass Tage und Nächte nicht immer gleich lang sind (siehe den Abschnitt "Mögliche Erweiterungen").

In kleinen Gruppen

Die Schüler zeichnen auf ihren Kugeln mit Bleistift den Äquator und einen Meri­dian ein. Sie legen Paris auf diesen Längengrad. Dann suchen sie mit Hilfe vor­handener Globen, wo Sydney hingehört.

Mit einer Taschenlampe und der Kugel stellen die Schüler im Modell die Anord­nung der Ausgangsfrage nach [1]. Der Arbeitsauftrag lautet: "Platziert die Ku­gel so, dass der Lichtstrahl auf die Kugel fällt wie die Sonnenstrahlen auf die Erde, wenn in Paris Mittag ist. Gebt an, wie viel Uhr es dann ungefähr in Syd­ney ist. Macht eine Versuchsskizze." Der gleiche Arbeitsauftrag wird dann noch einmal mit vertauschten Rollen für Sydney und Paris gegeben.

Gemeinsam

Für die gemeinsame Erörterung ist ein größeres Modell vorbereitet. Der Lehrer begutachtet die Erklärungsversuche der Schüler und bespricht gegebenenfalls die aufgetretenen Schwierigkeiten. Er hilft bei der Formulierung der Schlussfol­gerung: "Die Uhrzeit ist nicht die gleiche in Paris und in Sydney, denn in der einen Stadt ist es hell, während die andere im Dunkeln liegt."

Man wird jetzt auch in der Regel feststellen, dass die Versuche der Schüler nicht sehr genau sind. Auch wenn es ihnen gelingt, Paris mit der Lampe zu be­leuchten und zu erklä­ren, dass Sydney sich dann im Dunkeln befindet: Licht­fleck und Kugel lassen sich schlecht stabil halten. Aber das spielt vorläufig keine Rolle.

Unterrichtsstunde 5: Wie kann man den Wechsel von Tag und Nacht erklären?

Die Schüler versuchen mit Lichtquelle und Kugel den Wechsel von Tag und Nacht darzustellen und kommen zu verschiedenen Hypothesen.

Gemeinsam

Der Lehrer stellt die Frage "Wie kann man den Wechsel von Tag und Nacht erklären?" und vergewissert sich, dass sie verstanden wurde.

In kleinen Gruppen

Die Schüler suchen die Antwort anhand ihres Modells.

Gemeinsam

Die Hypothesen werden wiederholt und erörtert. Man erwartet je nach Vorwissen der Schüler etwa folgende Vermutungen:

• Die Erde dreht sich um sich selbst und um die Sonne.
• Die Erde dreht sich um die Sonne.
• Die Erde dreht sich um sich selbst (ohne Erwähnung einer etwaigen Bewegung um die Sonne).
• Die Sonne dreht sich um die Erde.

Es werden sicherlich auch Antworten gegeben, die einem kindlichen Weltver­ständnis entstammen: "Der Tag ist zum Spielen und Arbeiten da, die Nacht zum Schlafen". In der Regel werden solche Antworten von den anderen Schü­lern schnell verworfen. Auch kommen die Schüler meistens schlecht mit der exakten Bewegung ihrer Modelle zurecht. Das führt dazu, dass kein Einver­ständnis über gültige und ungültige Hypothesen erreicht wird. Es bedarf eines zweiten Versuchs.

Die Unterrichtsstunde endet also meistens mit der Feststellung, die der Lehrer auf den Punkt bringt: Die Klasse ist sich nicht einig, welche Hypothesen gültig sind und welche nicht. Einigkeit besteht dagegen bezüglich der Einsicht, dass man mit dem Modell anders umgehen muss.

Unterrichtsstunde 6: Der Wechsel von Tag und Nacht – Einsatz eines Modells

Die Schüler lernen das Modell so zu verwenden, wie es gedacht ist: als Werk­zeug zum Überlegen und Argumentieren. Sie werden sich bewusst, dass die Gültigkeit einer Hypothese nicht in allen Fällen mit diesem Modell überprüft werden kann. Am Ende der Unterrichtsstunde gibt der Lehrer die richtige Erklärung und unterstreicht, dass man sie in der Schule nicht beweisen kann.

Gemeinsam

Der Lehrer erörtert mit den Schülern die Rolle eines Modells, dessen Gebrauch und dessen Grenzen. Ein Modell ist ein Werkzeug, das das Überlegen und Argu­mentieren erleichtert. Die Kugel stellt die Erde dar, die Lampe die Sonne. Alles was man am Modell beobachtet, lässt sich auch in der Realität wahrnehmen. Wenn zum Beispiel der Markierungspunkt für Paris im Licht liegt, bedeutet das in der Wirklichkeit: "In Paris ist Tag"; umgekehrt, wenn die Markierung für Peking im Dunkeln liegt, bedeutet das: "In Peking ist Nacht".

In Gruppenarbeit sollen nun – mit Hilfe des gerade besprochenen Modells – alle Hypothesen geprüft werden.

In kleinen Gruppen

Die Schüler setzen ihre Versuche fort. Sie geben für jede Hypothese jeweils an, ob sie den Wechsel von Tag und Nacht erklärt oder nicht.

Gemeinsam

Anschließend werden Schlussfolgerungen gezogen. Oft sind die Schüler unsi­cher und der Lehrer muss bestehende Zweifel beseitigen. Die "richtige Erklä­rung" (die Erde dreht sich um sich selbst) wird als solche benannt, aber gleich­zeitig erfahren die Schüler, dass ihnen vorläufig nicht erklärt werden kann, wie die Naturwissenschaft den Nachweis führt.

Dagegen kann man die Schüler dazu animiern, sich allgemein und aufgrund ihrer Alltagserfahrung Gedanken zur Relativbewegung zu machen: Während der eigene Zug im Bahnhof hält und man aus dem Fenster schaut, fährt ein Zug auf dem Nebengleis langsam an. Man könnte meinen, der eigene habe sich in Bewegung gesetzt. Oder man könnte im fahrenden Aufzug auf den Gedanken kommen, die Schachtwand bewege sich. Ohne dass man allzu sehr darauf bestehen sollte, lässt sich eine zweite Schlussfolgerung ziehen: Man kann sich in Bewegung befinden, ohne es zu merken [2]. (Selbst wenn man einen Anhaltspunkt hat, weiß man nicht immer, ob der sich bewegt oder man selbst; man beobachtet nur die Relativbewegung.)

Unterrichtsstunde 7: Wie viel Uhr ist es in Peking, wenn es in Paris Mittag ist?

Diese Frage lässt sich vorläufig noch nicht beantworten. Alles was sich sagen lässt ist, dass Peking sich an der Grenze zwischen Tag und Nacht befindet. Ob am Morgen oder am Abend, lässt sich erst entscheiden, wenn der Drehsinn der Erde bekannt ist. In dieser Unterrichtsstunde soll der Drehsinn nun bestimmt werden.

Abb. 6: Wenn die Erde sich von links nach rechts dreht (siehe auch Abb. 7), ist es in Peking gerade dunkel geworden; es ist also Abend. Wenn die Erde sich jedoch an­dersherum dreht, wird es in Peking bald darauf hell; in der Stadt graut der Morgen.

Gemeinsam

Der Lehrer erinnert an die Schlussfolgerungen der vorangegangenen Unter­richtsstunde und stellt die Frage: "Wie viel Uhr ist es in Peking, wenn es in Paris Mittag ist? Er betont, dass die Antworten anhand des Modells gegeben werden sollen.

   [D]

Abb. 7: Überlegungen zum Drehsinn der Erde

In kleinen Gruppen

Die Schüler drehen ihre Modelle so, dass in Paris "Mittag" ist, und schauen, was derweil in Peking passiert. Sie probieren alles Mögliche aus und versuchen sich anschließend auf eine Antwort zu einigen.

Gemeinsam

Die Gruppen teilen ihre Antworten mit und begründen sie. Der Lehrer leitet die Diskussion. Er stützt sich auf Gruppen, die das Problem richtig erkannt haben und hilft, den Schluss zu ziehen: Die Frage lässt sich nicht beantworten, so­lange man den Drehsinn der Erde nicht kennt.

Unterrichtsstunde 8: In welche Richtung dreht sich die Erde um sich selbst?

Aus der scheinbaren Bewegung der Sonne leiten die Schüler den Drehsinn der Erde ab.

Abb. 8: In Europa sieht ein Beobachter, dass die Sonne sich von Osten nach Westen bewegt.

Abb. 9: Aus Sonnennähe sähe ein Astronaut die Drehung der Erde von Westen nach Osten.

Gemeinsam

Der Lehrer erinnert an das Ergebnis der letzten Unterrichtsstunde und an die Frage nach der Uhrzeit in Peking, wenn es in Paris zwölf Uhr mittags ist. Vor­läufig lässt man die Frage besser noch offen und sagt den Schülern nicht, dass der Schlüssel zur Antwort in der scheinbaren Bewegung der Sonne liegt. Man kann ihnen später immer noch auf die Sprünge helfen, wenn sie nicht von sich aus den Zusammenhang herstellen.

In kleinen Gruppen

Die Schüler überlegen. Sie können ihre Modelle benutzen. Der Lehrer geht von Gruppe zu Gruppe und sieht zu, dass erfolgloses Herumprobieren nicht zu lange dauert. Er gibt die oben angesprochene Hilfe, wenn er es für nötig hält.

Gemeinsam

Der Lehrer leitet den Austausch zwischen den Gruppen und begutachtet die Antworten. Er unterstützt das Verständnis, führt zu der Äußerung oder sagt selbst: "Wenn ich in Europa, zum Beispiel in Berlin, auf der Erde stehe und die Sonne betrachte, dann wandert sie im Lauf des Tages von Osten nach Wes­ten, von meiner Linken zu meiner Rechten. Wenn ich mir jetzt vorstelle, ich stünde bei der Sonne und würde auf Berlin schauen, dann würde ich sehen, wie Paris sich dahin bewegt, wo vorher Berlin war, das heißt von Westen nach Osten."

Der Lehrer vergleicht diese Überlegung mit den Gedanken aus der Unterrichts­stunde 6 (Züge, Aufzug) und lässt eine entsprechende Zeichnung anfertigen. Er hilft auch bei der Schlussfolgerung: "Wir können nicht endgültig entschei­den, was sich bewegt (Erde oder Sonne), aber, falls es die Erde ist, wissen wir wenigstens, dass sie sich von Westen nach Osten dreht."

Unterrichtsstunde 9: Wie viel Uhr ist es in Peking ...?

Die Schüler wissen jetzt alles, was sie zum Verständnis der Zeitzonen brau­chen. Sie kommen auf die in der Unterrichtsstunde 7 gestellte Frage zurück. Anschließend wenden sie sich anderen Beispielen zu.

Gemeinsam

Der Lehrer erinnert einerseits an die unbeantwortet gebliebene Frage – "Wenn in Paris Mittag ist, wie viel Uhr ist es dann in Peking?" – und andererseits an das Problem des Drehsinns der Erde. Anhand eines Globus erklärt er die Aus­drucksweise "von Westen nach Osten", die üblicherweise verwendet wird, um den Drehsinn der Erde zu beschreiben. Er stellt ein Modell auf den Tisch, das den Schülern beim Überlegen und Argumentieren helfen soll.

Jeder für sich

Die Schüler suchen die Antwort auf die Frage und schreiben sie nieder. Korri­giert wird gemeinsam.

Gemeinsam

Jetzt soll auf andere Städte angewandt werden, was in Bezug auf Paris und Peking verstanden wurde. Einfachheitshalber sollten Städte vorgeschlagen werden, die ungefähr auf dem gleichen Längengrad liegen (New York und Lima) oder deren Längengraddifferenz ungefähr 90 Grad beträgt – entsprechend einer viertel Erdumdrehung (Paris, Peking, Sydney, Lima, New York). Auf diese Weise kommen in den Antworten einfach nur die vier Tageszeiten vor: Mittag, Mitternacht, Nachtbeginn und Nachtende.

Der Lehrer fordert die Schüler auf, die drei neuen Städte zu finden und an den entsprechenden Stellen auf ihren Kugeln zu markieren. Er weist darauf hin, dass das Modell anschließend gebraucht wird, um die Fragen an der Tafel zu beantworten:

• In Lima ist es Mittag; welche Tageszeit ist es in Sydney?
• In Peking bricht der Tag an; welche Tageszeit ist es in Paris?
• In New York wird es Nacht; welche Tageszeit ist es in Lima?" usw.

In kleinen Gruppen

Die Schüler markieren die Städte mit Hilfe von Atlanten und Globus auf ihren Kugeln. Sie versuchen die Fragen zu beantworten. Wenn sie sich einig gewor­den sind, denken sie sich neue Fragen aus.

   [D]

Abb. 10: Fragen und Antworten zur Tageszeit in verschiedenen Städten

In der Anfangsphase benutzen die Schüler sowohl ebene als auch sphärische Darstellungen der Erde. Beide werden in dieser Unterrichtseinheit gebraucht.

Gemeinsam

Der Lehrer korrigiert gegebenenfalls die Fragen, greift Beispiele heraus, von denen er weiß, dass sie schwierig sind, und schreibt zwei Sätze an die Tafel: "Die Uhrzeit in Paris und in Sydney ist nicht die gleiche, weil Paris und Sydney nicht auf der gleichen Halbkugel liegen". "Die Uhrzeit ist die gleiche in New York auf der Nordhalbkugel und in Lima auf der Südhalbkugel".

Die Schüler notieren jeder für sich in ihren Heften, ob die beiden Behauptungen stimmen oder nicht. Die erste Behauptung wird korrigiert und lautet dann: "Die Uhrzeit ist nicht die gleiche in Paris und in Sydney, weil Paris und Sydney nicht auf dem gleichen Längenkreis liegen."

Unterrichtsstunde 10: Wie lässt sich festhalten, was man verstan­den hat?

Mehrere Möglichkeiten werden vorgeschlagen. Es geht darum, auf einer ebenen Fläche das System Erde-Sonne vom Nordpol aus gesehen so darzustellen, dass die Tageszeiten (Mittag, Mitternacht, Morgen, Nachmittag, Beginn der Nacht, Ende der Nacht) zu sehen sind.

Ansatz 1

Der Lehrer zeigt die Fotos aus Abb. 11. Die Schüler geben jeder für sich die Tageszeit in den drei Städten an. Anschließend vergleichen sie in kleinen Gruppen ihre Ergebnisse. Falls nötig benutzen sie ihr Sonne-Erde-Modell.

Abb. 11: Fotos zum Fotokopieren und Ausschneiden (zum Vergrößern auf das Bild klicken). Zu jedem Foto bestimmen die Schüler die Tageszeit in der betreffenden Stadt. Der Lehrer kann an den Drehsinn der Erde erinnern.

Ansatz 2

Diesmal soll das in Abb. 12 dargestellte Modell angefertigt werden (der Kreis, der die Erde darstellt, kann um eine Musterklammer gedreht werden; er kann groß sein, das erleichtert die Beobachtung für die Schüler). Das Modell wird anschließend verwendet, um wiederum Fragen zu beantworten: "Es ist Nachmittag in Peking, welche Tageszeit ist es in Los Angeles?" usw. Das Modell kann auch noch verbessert werden: Der bewegliche Kreis wird in 24 Sektoren eingeteilt, die den 24 Zeitzonen entsprechen.

Die folgenden Tageszeiten sollten in dem Modell abgebildet sein:

• Mittag
• Mitternacht
• Anfang der Nacht
• Ende der Nacht
• Morgen
• Nachmittag

Abb. 12: Ein Modell aus Tonkarton

Voraussetzungen für die praktische Umsetzung der Unterrichts­einheit

Materialien für eine Schülergruppe

• eine Zeitzonenkarte
• eine Taschenlampe für die Darstellung der Sonne,
• eine kleine Kugel (zum Beispiel aus Styropor) mit Achse (Stricknadel, Holzspieß oder Ähnliches) für die Darstellung der Erde. Die Größe der Kugel sollte zur Breite des Lichtkegels der Lampe passen, d. h. innerhalb des Kegels gut Platz finden. Sicherheitshalber sollte der Lehrer die "Polachse", d. h. die Stricknadel oder den Holzspieß, mittig durch die Kugel stechen.

Materialien für die gemeinsame Erörterung

• eine weiße Kugel zur Darstellung der Erde (größer als die der Schüler)
• ein Strahler oder eine helle Lampe [3]
• wenn möglich: mehrere Globen

Dauer

Nötig erscheinen uns zehn Unterrichtsstunden, jede à 45 bis 60 Minuten. Das ist zwar ziemlich viel, aber die Unterrichtseinheit beinhaltet zahlreiche Themen des Lehrplans.

Empfohlene Informationsblätter

Siehe im Wesentlichen das Informationsblatt 20: "Die Drehung der Erde um sich selbst". Zusätzlich und für die Vorarbeiten kommt das Informationsblatt 19 in Frage: "Scheinbare Bewegung der Sonne" sowie 21: "Sonnensystem und Weltall".

Schluss

In dieser Unterrichtseinheit haben die Schüler über den Wissenserwerb hinaus gelernt, die Dinge aus verschiedenen Blickwinkeln zu betrachten. Sie haben das, was sie in einem geografischen Bezugssystem (Osten, Westen) – oder auch in einem egozentrischen Bezugssystem (links, rechts) – beobachten und beschreiben, in eine abstrakte Darstellung (Modell, schematische Zeichnung) übetragen. Sie haben gelernt sich selbst aus dem Zentrum zu nehmen und haben ihr räumliches Orientierungsvermögen entwickelt.

Wenn bei anderer Gelegenheit über den Mond gearbeitet wird und dort eben­falls Versuche mit (neuen) Modellen angestellt werden, wird sich zeigen, inwie­weit die erlernten Fähigkeiten und geistigen Vorstellungen noch vorhanden und wieder anwendbar sind.

Die Schüler werden in dieser Unterrichtseinheit die ganze Zeit dazu angehalten nachzudenken, sich auszutauschen, ihre Meinungen zu begründen. Sie müssen ihre Gedanken präzise formulieren sowie ihre Erklärungen mit Texten und Zeichnungen belegen. Die Arbeitsweisen sind vielfältig (gemeinsame Plakate, Niederschriften – jeder für sich und in kleinen Gruppen –, gemeinsames Arbei­ten am Modell, ...). All das fördert ihr Sprachvermögen und ihre Sprachge­wandtheit.

Mögliche Erweiterungen

Eine mögliche Erweiterung ist das Thema Universalzeit. Es ist sinnvoll, überall auf der Welt eine gemeinsame Zeit zu haben, damit Ereignisse von weltweiter Bedeutung (An welchem Tag, zu welcher Zeit hat Neil Armstrong den Fuß auf den Mond gesetzt?) zeitlich eindeutig bestimmt sind. Man benutzt unsere Zeitzone (die auch die von Greenwich ist) und spricht von Universalzeit (Universal Time, UT).

Am Schluss dieser Unterrichtseinheit verbinden die Schüler die Uhrzeit mit der scheinbaren Bewegung der Sonne. Sie haben gelernt, Kugeln und Lichtkegel zu verwenden, um eine Modellvorstellung des Sachverhalts zu erhalten. In diesem Zusammenhang stellen sie sich womöglich eine ganze Reihe stichhaltiger Fragen, die nicht leicht zu beantworten sind. "Warum ist der Schatten der Sonnenuhr nicht der kürzeste, wenn unsere Uhren zwölf Uhr Mittag anzeigen?", "Warum ist die Dauer des Tages nicht immer gleich der Dauer der Nacht [4]?", "Was ist die Datumsgrenze?" usw. Der Lehrer kann den Schülern helfen, Antworten auf diese Fragen zu finden. Dass eine Unterrichtseinheit am Ende ungelöste Fragen und neue Probleme aufwirft, ist natürlich sehr wünschenswert. Den erwachsenen Naturwissenschaftlern ergeht es in ihrem Forschungsalltag nicht anders.

Im Bemühen, den Schülern zu helfen, sich selbst in ihren Auffassungen noch mehr aus dem Zentrum zu rücken, und auch bei der Arbeit zum Mond, kann der Tag-Nacht-Wechsel auf anderen Himmelskörpern zur Sprache gebracht werden: Von der Sonne aus gesehen dreht sich der Planet Jupiter in ungefähr 10 Stunden einmal um sich selbst. Welche Dauer hat die Jupiternacht? Von der Sonne aus gesehen dreht sich der Mond in ungefähr 30 Tagen einmal um sich selbst. Wie lange dauert ein Tag auf dem Mond? In "Der kleine Prinz" ist von einem Laternenanzünder die Rede, der auf einem erdachten Planeten lebt. Seine Laterne leuchtet auf und erlischt wieder, jede Minute einmal. In welcher Zeit dreht sich dieser Planet von seinem Stern aus gesehen einmal um sich selbst? Wie lange dauern dort ein Tag und eine Nacht?

Internetseiten zur Orientierung

• www.fourmilab.ch/earthview/
  Sehr gute Internetseite (in Englisch) mit interaktiven Abbildungen der Planeten in veränderlicher Tag/Nacht-Beleuchtung.
• https://gpso.de/maps/
  Freie Geokoordinatenbank
• https://worldwind.arc.nasa.gov/download.html
  Ein virtueller Globus, den man drehen kann. Jeder beliebiger Ort der Erde kann herangezoomt werden. Informationen zu diesem Programm der NASA findet man unter: https://de.wikipedia.org/wiki/NASA_World_Wind

Weltkarte mit den Zeitzonen und Stundenschieber

Der Streifen mit den Zeitverschiebungen (Stundenschieber) ist zum Ausschnei­den gedacht (auf beiden Seiten um ein paar Stunden verlängern). Er kann über die Karte gelegt werden, mit dem Nullpunkt in einer beliebigen Zeitzone. Die Zeitverschiebung zwischen einer beliebigen Stadt und einer beliebigen Zeitzone ist unmittelbar abzulesen. Der Stundenschieber kann Schülern, die am Ende der ersten Unterrichtsstunde Schwierigkeiten haben, eine Hilfe sein und bei der Schlussdiskussion Verwendung finden.

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Fußnoten

1: Die Strahler und (Taschen-) Lampen zur Darstellung der Sonne sind gerichtete Lichtquellen, während die Sonne in alle Richtungen strahlt. Man überzeuge sich, dass dieser Unterschied dem Verständnis der Schüler keinen Abbruch tut.

2: Selbst die gradlinige Bewegung ist nicht einfach zu verstehen. Ideen­geschichtlich war Galilei der Erste, der die Relativität jeder Bewegung verstanden hat.

3: Mit einer hellen Lampe erreicht man zwar einen guten Kontrast, aber sie blendet. Ein Stück Pappe zwischen der Lampe und den Schülern schafft Abhilfe.

4: Diese Frage steht in der Regel nicht in den Lehrplänen, kann aber Thema einer Unterrichtseinheit sein, wenn der Lehrer sich in der Lage sieht, sie erfolgreich durchzuführen.

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