Unterrichtsstunde 1: Was sind UV-Strahlen?

Autoren:
Publikation:	15.4.2005
Lernstufe:	3
Ziele:	UV-Strahlen entdecken Ein Versuchsprotokoll erarbeiten Die UV-Strahlen im Sonnenlicht nachweisen Sich der Bedeutung der Expositionsdauer bewusst werden
Dauer:	1 Stunde 30 Minuten
Material:	Für jeden Schüler: das Arbeitsblatt 3 Für jede Gruppe: 4 Stückchen UV-Papier Für die Klasse (fakultativ): ein großes Poster eine UV-Index-Vorhersage
Herkunft:	Sécurité Solaire/La main à la pâte, Paris

In dieser Unterrichtsstunde wird ein wissenschaftliches Versuchsprotokoll aus­gearbeitet. Es wird u. a. ein Poster erstellt, das für die Versuchsprotokolle ver­wendet wird. Eine Klasse, in der Lehrer und Schüler bereits an das forschende Lernen und die Benutzung eines Versuchsheftes gewöhnt sind, wird weniger Zeit brauchen als eine "Neulings"-Klasse.

Klassengespräch

Entdeckung der UV-Strahlen

Der Lehrer verteilt eine Kopie des Arbeitsblattes 3 und bittet die Schüler, die Gemeinsamkeit zwischen den beiden Texten und dem Bild in der Mitte heraus­zufinden. Im Laufe des Gesprächs versucht der Lehrer den Begriff "ultraviolette Strahlung" einzuführen, indem er betont, dass die UV-Strahlen für die meisten von der Sonne ausgehenden Gefahren (Sonnenbrand, Grauer Star, Hautkrebs usw.) verantwortlich sind und dass sie Bestandteil des Sonnenlichts sind. Wir brauchen geeignete Hilfsmittel, um sie sichtbar zu machen, da unser Auge sie nicht wahrnehmen kann [Anmerkung: Im Gegensatz zu verschiedenen Tierar­ten wie Insekten (z. B. Bienen) oder einigen Vogelarten, deren Augen UV-Strah­len direkt wahrnehmen können].

UV-Papier

Nun stellt der Lehrer den Schülern das UV-Papier vor: "Dieses Papier ist mit Chemikalien getränkt, die sich bei Bestrahlung mit UV-Licht umwandeln. Bei dieser Umwandlung ändern sie ihre Farbe (von weiß nach blau). Die Haut reagiert ähnlich, auch wenn sie nicht aus den gleichen chemischen Substan­zen besteht und ihre Farben anders sind. Das UV-Papier ist wie die Haut einer Person, die nicht braun, sondern blau werden würde!"

[Anmerkung: Das UV-Papier ist kein exaktes Modell für die Haut – man denke allein an die unterschiedlichen Hauttypen – und man sollte auf jeden Fall vermeiden, aus dem Färbungsgrad des UV-Papiers quantitative Schlüsse für die Haut zu ziehen.]

Vorbereitung eines Versuchs

Die Klasse kann sich jetzt überlegen, wie man experimentell herausfinden könnte, ob das Sonnenlicht UV-Strahlen enthält. Man kann sich z. B. folgende Frage stellen: "Kann man im Klassenraum – im künstlichen Licht der Lampen und bei geschlossenen Fenstern – einen Sonnenbrand bekommen?" Dazu kann man folgenden Versuch durchführen: Man legt ein Stückchen UV-Papier direkt in die Sonne (ins Freie) und ein anderes Stückchen UV-Papier unter künstli­ches Licht (Lampe oder Neonröhre), und vergleicht beide.

Da man am Anfang nicht weiß, wie schnell sich das Papier verfärbt und welche Färbung es am Ende haben wird (ab wann kann man sagen, dass es blau ist?), kann man das Experiment mit zwei verschiedenen Expositionszeiten durch­füh­ren:

• 2 UV-Papiere (1 draußen, 1 in der Klasse), 5 Minuten bestrahlt
• 2 UV-Papiere (1 draußen, 1 in der Klasse), 30 Minuten bestrahlt

Man kann diesen Versuch auch mit "normalem" (nicht UV-empfindlichem) Papier durchführen: Es bleibt sowohl in der Sonne als auch im Kunstlicht weiß. Um UV-Strahlen nachzuweisen, braucht man also wirklich ein Spezialpapier! Bevor dieser erste Versuch durchgeführt wird, sollte man sich etwas Zeit nehmen, um ihn vorzubereiten. Dieser Zeitaufwand wird später leicht wieder hereinge­holt, da diese Arbeit für alle weiteren Versuche nützlich ist.

Der Lehrer kann den Schülern beispielsweise folgende Fragen stellen: "Welche Informationen sollte man sich merken? Das Datum, den Wetterbericht, die Uhrzeit von Beginn und Abschluss des Versuchs?" (Wir werden später sehen, dass die Menge des auftreffenden UV-Lichts stark vom Wetter und von der Tageszeit abhängt). Wie sollte man die Ergebnisse festhalten? Mit Hilfe von Notizen, Tabellen, Schemata? Wo sollte man all das speichern? Zum Schluss fasst die Klasse ihre geplante Vorgehensweise in Form eines Posters zusam­men. Dieses Poster wird für alle sichtbar in der Klasse angebracht und dient als Grundlage bei der Ausarbeitung von späteren Versuchen. Als Beispiel werden nachstehend einige Rubriken genannt, die auf diesem Poster erscheinen könnten:

Abb. 1: Auszug aus einem Versuchsheft: Arbeitsplan

Versuchsdurchführung

Die Schüler führen die gemeinsam geplanten Versuche in kleinen Gruppen durch, nachdem sie sie – unter Zuhilfenahme des Posters – sorgfältig in ihrem Versuchsheft vorbereitet haben.

Die in die Sonne gelegten UV-Papierstückchen werden blau (je länger sie der Sonne ausgesetzt werden, desto dunkler wird das Blau), während diejenigen, die im Klassenraum geblieben sind, immer noch weiß sind. Das Sonnenlicht ent­hält also "irgendetwas", das im Licht der Lampen im Klassenraum nicht vorhan­den ist und das UV-Papier hat reagieren lassen: Das sind die ultravioletten Strahlen! Die UV-Papierstückchen sehen nach der Exposition folgendermaßen aus:

Abb. 2: UV-Papier nach 5 und nach 30 Minuten in Kunstlicht und in der Sonne

[Anmerkung: Das UV-Papier verfärbt sich auch unter Kunstlicht oder hinter einer Fensterscheibe, jedoch sehr viel langsamer. Dies liegt daran, dass das Glas einer Fensterscheibe die UV-Strahlen des Sonnenlichts nicht vollständig absorbiert und auch das Licht von Leuchtstoffröhren oder Glühlampen noch einen sehr geringen UV-Anteil besitzt.]

Anmerkungen zu diesem Versuch

• Dieser Versuch, sowie zahlreiche spätere Versuche des gleichen Typs kön­nen nicht im Winter durchgeführt werden: Das UV-Papier bleibt auch unter Sonneneinstrahlung weiß, da das Sonnenlicht im Winter in der Regel nicht genügend UV-Strahlen enthält. Dieses Phänomen wird in den folgenden Unterrichtsstunden untersucht.
• Sonniges Wetter ist vorzuziehen, aber nicht unbedingt notwendig. UV-Strah­len durchdringen eine dünne Wolkenschicht, allerdings muss die Expositionsdauer dann unter Umständen etwas verlängert werden.
• Das UV-Papier sollte in der Mittagszeit (vorzugsweise gegen 13 Uhr, wenn die Sonne am höchsten steht) ausgelegt werden, um möglichst starke Verfärbungen zu erzielen.
• Manche Lampen strahlen ebenfalls UV-Licht aus; man findet sie vor allem in Bräunungsstudios.

Zusammenfassung und Gespräch über den UV-Index

Nachdem die Ergebnisse der einzelnen Gruppen zusammengefasst wurden, er­arbeitet die Klasse eine gemeinsame Schlussfolgerung, die jeder in sein Ver­suchsheft schreibt.

Anschließend erklärt der Lehrer den Schülern den UV-Index: Der UV-Index ist ein Maß für die sonnenbrandwirksame UV-Strahlung und gibt das Risiko wieder, das diese Strahlung für die Gesundheit darstellt. Nach den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und der Weltmeteorologieorganisation (World Meteorological Organization – WMO) sollte er in der Regel [in Deutsch­land, Österreich und der Schweiz im Sommer] für den Zeitraum zwischen 11 und 15 Uhr angegeben werden (in den 4 Stunden um den Sonnenmittag herum, siehe zum Beispiel die Broschüre der WMO: "Global Solar UV Index"). Der UV-Index hängt von der Jahreszeit, dem Ort und dem Wetter ab. Jedem Wert des UV-Index entspricht eine Expositionszeit: Das ist die Zeit, nach der – ohne Sonnenschutz – mit einem Sonnenbrand zu rechnen ist. Diese Zeit hängt vom Hauttyp einer Person ab. Für ein Kind oder einen Erwachsenen mit emp­find­licher Haut kann man folgende Tabelle benutzen (die den Schülern gezeigt werden sollte):

Abb. 3: Wie man sich am besten vor der Sonne schützt.

Als Vorbereitung für die nächsten Stunden: Die UV-Index-Vorhersage

Eine Vorhersage für den UV-Index in Deutschland wird täglich auf der Webseite des Bundesamtes für Strahlenschutz bekannt gegeben. Man könnte die mor­gendlichen "Rituale" in der Klasse (Aufrufen, Datum) um das Lesen der UV-Index-Vorhersage erweitern. So könnten sich die Schüler mit dem Begriff UV-Index vertraut machen und beginnen darüber nachzudenken, in welchen Situationen man die Sonne besser meiden sollte.

Für Österreich (und die ganze Welt) findet man eine UV-Index-Vorhersage auf den Webseiten des Instituts für Medizinische Physik und Biostatistik der Veterinärmedizinischen Universität Wien (dem Link "UV Index Forecast" im linken Menü folgen). Eine detaillierte Karte für die Schweiz veröffentlichen das Bundesamt für Gesundheit und MeteoSchweiz jeden Morgen um 8 Uhr. Den aktuellen UV-Index für Frankreich findet man auf der Webseite der Association Sécurité Solaire. Wenn Sie sich auf dieser Webseite registrieren lassen, können Sie ihn sich täglich auch per E-Mail zuschicken lassen.

Schlussfolgerung

Das von der Sonne ausgesandte Licht enthält UV-Strahlen, die man weder sehen noch spüren kann und die gefährlich sein können. Man kann diese UV-Strahlen mit einem Spezialpapier sichtbar machen, dem sogenannten "UV-Papier". Je länger man sich in der Sonne aufhält, desto mehr UV-Strahlen bekommt man ab und desto größer wird das Sonnenbrandrisiko. Der UV-Index gibt an, wie hoch die Intensität der UV-Strahlen an einem gegebenen Tag ist.

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