Erde und Sonne

Autoren:
Publikation:	1.6.2001
Lernstufe:	3
Übersicht:	Sonne und Erde; die Erde ist ein Magnet; Schwerkraft; die Abfolge von Tag und Nacht; die sich über das Jahr ändernde Dauer der Tage und Nächte; das Phänomen der Jahreszeiten
Dauer:	8 Stunden plus 1,5 bis 2 Stunden für die Lernateliers
Material:	eine Nadel, ein Stück Styropor, ein Klebestreifen, ein Magnet, ein Behälter mit Wasser ein Kompass pro Kind, ein Magnet für jede Zweiergruppe 2 Styroporkugeln, eine (möglichst helle) Lampe ein Kalender (mit Angaben zum Sonnenauf- und -untergang) ein Globus ein Diaprojektor Zeitschriften, Videos, DVDs, Fotos zum Thema ein Thermometer eine Taschenlampe eine Solarzelle
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

1. Was sind Sonne und Erde?

Dauer: 1 Unterrichtsstunde

Lernziel

Die Sonne ist ein heißer Gasball, der Licht erzeugt, und die Erde ist eine Kugel.

Ablauf

• Sammeln von Vorstellungen (Was ist ...? Wie ist die Gestalt von ...?), Zeichnungen und Formulierungen
• Diskussion mit der ganzen Klasse
• Nachschlagen in Sachbüchern

Die meisten Kinder sind sich darin einig, dass die Sonne ein "großer leuchtender Ball" ist, der größer ist als die Erde. Das Licht der Sonne wärmt. Die Erde ist ein Ball/eine Kugel mit einem festen inneren Kern. Um den inneren Kern gibt es verschiedene flüssige und feste Schichten. Die Erde strahlt kein Licht aus.

Widersprüchliche Vorstellungen haben die Kinder in Bezug auf den Vergleich von Sonne und Sternen. Dass die Sonne ein Stern ist, wissen einige Kinder. Allerdings sind sie oft der Meinung, dass Sterne kleiner sind als die Erde. Hin­tergrund dieser Vorstellung ist die "sichtbare Größe" der Sterne. Während sie von der Sonne eine genaue Vorstellung haben, ist ihnen meistens nicht klar, was ein Stern ist.

Die gesammelten Kenntnisse werden anhand von Sachbüchern überprüft. Diese erste Phase der Unterrichtseinheit sollte nicht übergangen werden, sie ist für den weiteren Unterrichtsverlauf sehr wichtig.

2. Der Erdmagnetismus

Dauer: 1 Unterrichtsstunde

Lernziel

In dieser Unterrichtsstunde lernen die Kinder, dass die Erde eine Nord-Süd-Orientierung hat. Außerdem bauen sie einen einfachen Kompass und lernen damit umzugehen.

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 geografischen Polen: dem Nordpol und dem Südpol [1].

Fragestellungen

• Wie kann man sich orientieren?
• Wie funktioniert ein Kompass?
• Sammeln von Vorstellungen
• Gemeinsame Diskussion

Antworten der Kinder auf die Frage "Wie funktioniert ein Kompass?"

• Er richtet sich nach der Kälte, nach der Temperatur.
• ... nach dem Wind.
• ... nach dem Eis.
• ... nach den Magneten.
• usw.

Dass eine Kompassnadel nicht von Eis oder einer Wärmequelle abgelenkt wird, können die Kinder schnell experimentell überprüfen, indem sie einen Kompass an ein Stück Eis oder an eine Wärmequelle halten.

Sobald den Kindern klar geworden ist, dass Magnete die Kompassnadel aus­richten, kann der Lehrer vorschlagen, dass die Kinder selbst einen Kompass bauen. Die Anfertigung ist ganz einfach und für die Schüler sehr motivierend.

Abb. 1: Bau eines einfachen Kompasses

Für den Bau eines Kompasses benötigt nicht viel mehr als eine Nadel, deren Spitze man 30 Sekunden lang an einer der beiden Enden (Pole) des Magneten reibt. Dadurch erreicht man, dass die Nadel selbst – wie der Magnet – magne­tisch wird. Anschließend wird die Nadel mit etwas Klebe­band auf einem kleinen Stück Styropor befestigt und dieses in eine mit Wasser gefüllte 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 ausrich­ten. Man kann sie anschließend in eine andere Richtung verdrehen, sie kehrt aber immer wieder in die Nord-Süd-Richtung zurück.

Man sollte darauf achten, dass der Magnet, mit dem man die Nadel magneti­siert hat, nicht gerade in der Nähe der Schale liegt, da er dann die Richtung, in die sich die Nadel dreht, beeinflusst. Wenn die Kinder begriffen haben, dass sich die Nadel immer wieder in Nord-Süd-Richtung aus­richtet, können sie auch untersuchen, wie der Magnet auf die Nadel wirkt. Dadurch können sie leichter nachvollziehen, dass die Erde ebenfalls ein Magnet ist.

Zusammenfassung

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.

Bemerkung

Die meisten Kinder wissen, was ein Kompass ist. 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. Der Kompass ist Gegenstand einer eigenen Unterrichtseinheit, die meistens im Zusammenhang mit Orientierungsläufen durchgeführt wird (Schnit­zeljagd, Schatzsuche usw.).

3. Die Schwerkraft

Dauer: 1 Unterrichtsstunde

Lernziel

Die Erde zieht die Menschen zu ihrem Mittepunkt hin, "deshalb fallen die Men­schen auf der anderen Seite der Erde nicht herunter."

Ablauf

• 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?)

Abb. 2: Kinderzeichnungen

Bemerkungen zu den Kinderzeichnungen

Die anfänglichen Vorstellungen sind innerhalb einer Klasse in der Regel sehr un­terschiedlich: Darstellung (1) kommt immer vor, wobei einige Kinder sich vor­stellen, dass die Erde wie ein Magnet wirkt. Die Darstellung (2) tritt am häufig­sten auf.

Darstellung (2) kann als perspektivische Ansicht interpretiert werden. Die Befürworter der Darstellung (3) haben häufig Schwierigkeiten zu verstehen, warum die Menschen "unten" nicht herunterfallen. Die meisten Kinder sehen nach der Diskussion mit der gesamten Klasse ein, dass (1) die "richtige" Dar­stellung sein muss – auch die Menschen in Australien und Neuseeland leben mit beiden Füßen auf der Erde [2].

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 sich die Dauer der Tage und Nächte ändert.

4. Der Wechsel von Tag und Nacht

Dauer: 1,5 bis 2 Unterrichtsstunden

Lernziel

Eine schlüssige Erklärung für den Wechsel von Tag und Nacht finden.

Ablauf

• 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
Erde	Styroporkugel (ohne Achse)
Mond	Styroporkugel (ohne Achse)
Berlin	Kreuz auf einer Kugel

Die Frage "Warum ist es manchmal Tag und manchmal Nacht?" wird auf das Modell übertragen und umformuliert. Es gilt jetzt, "mindestens zwei Möglich­keiten zu finden, damit das Kreuz auf der Kugel mal von der Taschenlampe beleuchtet wird (= Tag) und mal nicht (= Nacht)."

Abb. 3: Die "Erdkugel" wird mit einer Taschenlampe beleuchtet. Die Taschenlampe stellt die Sonne dar.

Nach einer gemeinsamen Diskussion können einige Erklärungsvorschläge bereits ausgeschlossen werden, indem sie den tatsächlichen Beobachtungen gegen­übergestellt werden. Als mögliche Erklärungen für den Wechsel von Tag und Nacht bleiben folgende Vorschläge übrig:

• 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.

Bemerkung

Es stellen sich mehrere Fragen: Warum mit einem Modell arbeiten? Warum soll man zwei Möglichkeiten finden? Sollen alle Vorschläge der Kinder 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 Erklä­rung aktiv tätig zu werden, da es unmöglich ist, ein Experiment mit den realen Objekten "Erde" und "Sonne" durchzuführen.

Wenn man die Kinder bittet zwei Erklärungsmöglichkeiten zu finden, werden sie gezwungen anders zu denken und 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 oben aufgezählten Erklärungen stimmt. Hierzu bedarf es weiterer Informationen.

Ratschläge

• 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 die Kinder gebeten werden, die Materialien beiseite zu legen und darüber zu berichten, was sie bisher ver­standen haben. Anschließend kann ein Schüler in seinen Worten wiederge­ben, was zu tun ist, bevor die Arbeit am Modell fortgeführt wird.

Falls nicht genügend Taschenlampen zur Verfügung stehen, kann eine Lampe in die Mitte der u-förmig angeordneten Tische gestellt werden. Eine solche Anord­nung fördert außerdem heliozentrische Erklärungsversuche (die Sonne befindet sich im Zentrum).

Abb. 4: Die Tische sind u-förmig angeordnet; eine Lampe befindet sich in der Mitte des U. Der Klassenraum sollte abgedunkelt werden.

5. Die unterschiedliche Dauer der Tage und Nächte

Dauer: 3 Unterrichtsstunden

Mit der zusätzlichen Information, dass Tage und Nächte nicht immer gleich lang sind, können einige der von den Schülern vorgebrachten Erklärungsver­suche zum Wechsel von Tag und Nacht eliminiert werden.

Zunächst wird festgestellt, dass Tage und Nächte im Ablauf eines Jahres nicht gleich lang sind (Schritt 1). Anschließend muss für dieses Phänomen eine Erklä­rung gefunden werden (Schritt 2).

Schritt 1: Tage und Nächte sind nicht immer gleich lang

Lernziele

• Tage und Nächte sind im Laufe eines Jahres nicht immer gleich lang.
• Zeiten addieren und insbesondere voneinander abziehen können.
• Eine Grafik erstellen.

Ablauf

• Sammlung von Vorstellungen (Haben die Tage und Nächte im Verlauf eines Jahres immer die gleiche Dauer?)
• Gemeinsame Diskussion
• Mit Hilfe eines Kalenders, in dem die Zeiten für Sonnenaufgang und Son­nenuntergang verzeichnet sind, erst eine Tabelle und anschließend eine Grafik erstellen.

Tabelle und Grafik der unterschiedlichen Tageslängen im Jahresverlauf

Für jeden Monat wird eine mittlere Tagesdauer (Mittelwertbildung) oder die Dauer eines bestimmten Tages berechnet (zum Beispiel immer der 21. Tag eines jeden Monats). Diese Werte werden dem Kalender entnommen.

Monat	Sonnenaufgang	Sonnenuntergang	Dauer
21. Januar	8.02 Uhr	16.33 Uhr
21. Februar	7.08 Uhr	17.31 Uhr
21. März	6.04 Uhr	18.22 Uhr
21. April	5.53 Uhr	20.16 Uhr
21. Mai	5.00 Uhr	21.05 Uhr
21. Juni	4.43 Uhr	21.33 Uhr
21. Juli	5.10 Uhr	21.14 Uhr
21. August	6.00 Uhr	20.18 Uhr
21. September	6.51 Uhr	19.06 Uhr
21. Oktober	7.43 Uhr	17.57 Uhr
21. November	7.39 Uhr	16.05 Uhr
21. Dezember	8.15 Uhr	15.54 Uhr

Tabelle mit den Zeiten für Sonnenaufgang und Sonnenuntergang in Berlin (2013)

In die letzte Spalte der Tabelle können die Kinder die berechneten Tageslängen eintragen. Sie werden feststellen, dass Ende März die Uhren von Winter- auf Som­merzeit umgestellt wurden, und Ende September wieder von Sommer- auf Winter­zeit. Vielleicht bemerken sie es auch nicht. Es ist hier nicht von Belang, da nur die Tageslängen – also Zeitdifferenzen – interessieren.

Bei der Subtraktion dürfen Stunden und Minuten nicht vermischt werden; sie müssen getrennt voneinander subtrahiert werden.

Beispiel A (leicht):
19.45 Uhr − 6.30 Uhr = 13 Stunden (19 − 6) und 15 Minuten (45 − 30)

Beispiel B (auf Anhieb nicht lösbar):
20.00 Uhr − 6.15 Uhr = ?

Beispiel B lässt sich in ein leichtes Beispiel umwandeln, wenn man anstatt 20.00 Uhr "19.60 Uhr" schreibt.

Beispiel B (modifiziert):
19.60 Uhr − 6.15 Uhr = 13 Stunden (19 − 6) und 45 Minuten (60 − 15)

Anstatt zu rechnen, kann man auch mit einem Zeitpfeil arbeiten. Man markiert auf dem Zeitpfeil die Zeit des Sonnenaufgangs und addiert die Stunden und Minuten bis zum Sonnenuntergang.

Abb. 5: Ein Zeitpfeil

Mit Hilfe der ausgefüllten Tabelle kann eine Grafik erstellt werden.

Abb. 6: Grafik mit den Tageslängen für Berlin

Die Grafik macht deutlich, dass die Tage im Sommer länger sind als im Winter. Laut Abb. 6 ist in Berlin der längste Tag etwa 16 Stunden und 50 Minuten lang, der kürzeste etwa 7 Stunden und 40 Minuten. Bei der Länge der Nächte ver­hält es sich genau andersherum: Sie sind im Winter länger als im Sommer.

Schritt 2: Suche nach einer Erklärung für die unterschiedlichen Tages­längen im Laufe eines Jahres

Lernziele

• Zeigen, dass die Erde sich um sich selbst dreht, während sie sich gleich­zeitig um die Sonne dreht.
• Erklären, warum Tage und Nächte im Verlauf eines Jahres von unterschied­licher Dauer sind.

Wie kann man "zeigen", dass sich die Erde um die Sonne und gleichzei­tig 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.

Erklärungsversuche für die sich ändernde Dauer von Tag und Nacht

• Die Sonne dreht sich um die Erde.
• Die Erde dreht sich um die Sonne.
• Die Erde dreht sich um sich selbst und die Sonne dreht sich um die Erde.
• Die Erde dreht sich um sich selbst und auch um die Sonne.
• Der Mond oder die Wolken verdecken die Sonne.
• Es gibt jemanden, der die Sonne "ausmacht".

Bemerkungen zu den Erklärungsversuchen

Die Erklärungsversuche, die davon ausgehen, dass etwa der Mond oder die Wolken die Sonne verdecken, 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.

Nach dem Arbeiten mit dem Modell ergibt sich aus der gemeinsamen Diskus­sion, dass noch drei bis vier Erklärungen übrig bleiben.

Die meisten Kinder wissen, dass die Erde sich um sich selbst dreht und gleich­zeitig die Sonne umkreist. Das bedeutet allerdings noch nicht, dass sie es auch verstanden haben.

Unter den Erklärungsversuchen für den Wechsel von Tag und Nacht müssen nun jene gesucht werden, die mit folgenden Fakten vereinbar sind: 1. Tag und Nacht wechseln sich im Tagesrhythmus ab. 2. Die Tageslänge ändert sich im Laufe eines Jahres. Das Wort "Tag" ist leider zweideutig, es bezeichnet sowohl den 24-stündigen Tag als auch die helle Tageszeit.

Es bleiben also nur noch zwei Erklärungsversuche übrig:

• Die Erde dreht sich um sich selbst und die Sonne dreht sich um die Erde.
• 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. Dass sich die Erde um die Sonne dreht (Heliozentrismus), kann nur durch die Analyse der Bewegung mehrerer Planeten (z. B. von Venus und Mars) bewiesen werden.

Zusammenfassung

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 Nächte?

• Sammeln von Vorstellungen
• Gemeinsame Diskussion
• Arbeiten mit einem Modell: Die Kugeln bekommen nun eine Rotationsachse. Material: 1 Kugel pro Zweiergruppe, eine Taschenlampe pro Schüler.

Wirklichkeit	Modell
Sonne	Taschenlampe
Erde	Styroporkugel (mit Achse)
Berlin	Kreuz auf der Kugel

Die Ausgangsfrage wird wieder auf das Modell übertragen und umformuliert: "Was muss man tun, damit bei einer Drehung der "Erdkugel" das Kreuz länger beleuchtet als nicht beleuchtet ist?" Man sucht also nach der Situation "langer Tag / kurze Nacht". Die Sitzordnung der Klasse sollte wieder u-förmig sein (siehe Abb. 4).

Mit einigen Schwierigkeiten (die wir weiter unten besprechen werden) finden die Schüler heraus, dass die Aufgabe lösbar ist, wenn man die Achse der Kugel in Bezug auf die Taschenlampe etwas neigt.

Der Versuch wird gemeinsam wiederholt. Dazu wird ein Globus langsam, aber gleichmäßig um sich selbst gedreht. Es wird dabei – mit einer Stoppuhr – die Dauer bestimmt, während der das Kreuz beleuchtet ist, und die Dauer, wäh­rend der das Kreuz nicht beleuchtet ist.

Abb. 7: Die Erde wird um ihre (geneigte) Rotationsachse um sich selbst gedreht und dabei mit der Taschenlampe beleuchtet.

Vom Modell zur Wirklichkeit

Abb. 8: 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.

Die Erdachse ist um etwa 23 Grad gegenüber der Vertikalen geneigt, im Som­mer in Richtung Sonne, im Winter von der Sonne weg. Deswegen ist es auf der Nordhalbkugel, also zum Beispiel in Europa, im Sommer länger hell als im Winter.

Bemerkungen

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 in unseren Breitengraden 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 der Sonnenunter­gangs- und -aufgangszeiten ist nicht einfach. Man kann diese Aktivität jedoch wunderbar in eine oder mehrere Mathematikstunden integrieren.

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. Einige verwechseln die Zahlen an der vertikalen Achse mit der Uhrzeit. Wenn man tatsächlich die Tageszeit auftragen würde, sähe die Grafik folgendermaßen aus.

Abb. 9: Grafik mit den Uhrzeiten von Sonnenaufgang (blau) und Sonnenuntergang (rot). Die graue horizontale Linie markiert 12 Uhr mittags.

Diese Verwechslung wird ihnen erst bewusst, wenn der Lehrer wieder auf die Tabelle zurückkommt und diese mit der Grafik in Verbindung bringt.

Schwierigkeiten bei der Arbeit mit dem Modell

Diese Unterrichtsstunde ist die schwierigste im Verlauf der ganzen Unterrichts­einheit. Die Schüler haben nämlich zunächst keine oder nur wenige Erklärungen für die unterschiedliche Dauer der Tage und Nächte. Im Allgemeinen werden folgende Ideen vorgebracht:

• Im Winter ist die Erde weiter von der Sonne entfernt.
• Die Erde dreht sich unterschiedlich schnell.
• Es liegt an den Jahreszeiten (!)
• Die Erdachse ist geneigt (wird selten genannt).

Die Bedeutung der Entfernung scheint allen Kindern zunächst eine gute Erklä­rung zu sein. Die Arbeit mit dem Modell (dafür braucht man allerdings eine sehr starke Lampe bzw. Taschenlampe) zeigt jedoch, dass die Entfernung keine Rolle spielt.

Da die Kinder wissen, dass ein Tag immer 24 Stunden dauert, erkennen sie im Verlauf des Gesprächs, dass eine unterschiedliche Umdrehungsgeschwindigkeit der Erde keine brauchbare Erklärung ist.

Die Hauptschwierigkeit besteht darin, die Kinder selbst auf die Idee kommen zu lassen, dass, sobald die Erdachse geneigt wird, die Dauer der Tage nicht mehr die gleiche ist wie die Dauer der Nächte.

Als Achse sollte ein stabiler Stab dienen, um zusätzliche Bewegungen zu ver­meiden. Außerdem sollten die Kinder die Erde gleichmäßig um ihre Achse dre­hen lassen, wenn sie mit einer Stoppuhr die Zeit einer Umdrehung messen.

Wenn der Zusammenhang weiterhin nicht erkannt wird, bekommen die Schüler folgenden Arbeitsauftrag: "Findet eine Position der Erde, bei der das Kreuz immer beleuchtet ist, auch dann, wenn die Kugel sich um sich selbst dreht." Die Lösung ist in Abb. 10 dargestellt.

Abb. 10: Die Taschenlampe beleuchtet den Nordpol.

Nun bekommen sie folgenden Arbeitsauftrag: "Findet eine Position der Erde, bei der das Kreuz während der Drehung der Kugel gleich lang beleuchtet und nicht beleuchtet ist." Sie werden auf die Lösung in Abb. 11 kommen.

Abb. 11: Die Taschenlampe scheint direkt auf den "Äquator".

Schließlich werden die Schüler gebeten, jene Position zu finden, bei der das Kreuz länger beleuchtet als nicht beleuchtet ist. Auch diese Position werden sie finden ... und damit die Antwort auf die Frage. Die Antwort lautet: "Die Drehachse der Erdkugel muss dafür gegenüber der Taschenlampe (Sonne) geneigt sein".

Achtung! Die Grenze zwischen Schatten und Licht entspricht nicht der Nord-Süd-Achse. Dieser Unterschied ist von grundsätzlicher Bedeutung und muss den Schülern vermittelt werden.

Abb. 12: Die Grenze zwischen Schatten und Licht entspricht nicht der Nord-Süd-Achse.

6. Das Phänomen der Jahreszeiten – Lernateliers

Dauer: 1,5 bis 2 Unterrichtsstunden

Lernziele

• Einen Bezug zwischen Licht und Wärmeenergie herstellen.
• Das Phänomen der Jahreszeiten erklären.

Ablauf

• Sammeln von Vorstellungen: Die Kinder erklären mit Zeichnungen und in ihren eigenen Worten, 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.
  • Wenn auf der Nordhalbkugel Sommer ist, ist auf der Südhalbkugel Winter – und umgekehrt.
  • In der nördlichen Hemisphäre ist die Erde im Sommer weiter von der Sonne entfernt als im Winter. Die Entfernung der Erde zur Sonne erklärt also nicht das Phänomen der Jahreszeiten!
• Experimentieren in wechselnden Lernateliers (mit 3 mal 4 Zweiergruppen)
  • Thermometer
  • Taschenlampe
  • Solarzelle

Die Kinder verbinden mit den Jahreszeiten das unterschiedliche Wetter, die unter­schiedlichen Temperaturen (im Winter ist es kalt, im Sommer warm) und die Veränderungen der Pflanzenwelt.

Abb. 13: Die Bahn der Erde um die Sonne

Die Rotationsachse der Erde bleibt für jemanden, der das System Erde-Sonne aus weiter Entfernung betrachtet, das ganze Jahr hindurch in der gleichen Weise geneigt (siehe Abb. 13).
Achtung: Auf der linken Seite der Zeichnung ist auf der Nordhalbkugel Som­mer, auf der rechten Seite ist auf der Nordhalbkugel Winter. Für die Südhalb­kugel gilt jeweils das Gegenteil.

Im Sommer ist die Erdachse zur Sonne hin geneigt. Die Sonnenstrahlen fallen steil auf die Erde ein, es ist warm.

Im Winter ist die Erdachse von der Sonne weg geneigt. Die Sonnenstrahlen fallen flach auf die Erde ein, es ist kalt.

Abb. 14: Sonnenstrahlen im Sommer und im Winter

Diese beiden Punkte sind schwer zu verstehen. Hilfreich ist dabei eventuell Abb. 16. Auch die Experimente in den Lernateliers "Solarzelle" und "Thermome­ter" sollte den Kindern den Zusammenhang zwischen Neigung der Erdachse und Jahreszeit verdeutlichen.

Die häufigsten Schülervorstellungen

• Gar keine Vorstellung (die Mehrheit)
• Die Entfernung Erde-Sonne ist im Winter größer als im Sommer (häufig).
• Es liegt an der Neigung der Erdachse (selten).

Wie bei der unterschiedlichen Dauer der Tage und Nächte, ist die Vorstellung, dass die unterschiedliche Entfernung eine entscheidende Rolle spielt, für die Schüler 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.
• 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 ihn 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 des Unterrichts

Diese Unterrichtsstunde kann auf unterschiedliche Weise gestaltet werden.

• Mit einem Zeitaufwand von 2,5 Stunden: Wechselnde Lernateliers (jeder Schüler beteiligt sich an allen drei Lernateliers) und Zusammentragen der Ergebnisse.
• Mit einem Zeitaufwand von 1,5 Stunden: Drei parallel laufende Lernateliers (jedes Kind beteiligt sich nur an einem Lernatelier) und Zusammentragen der Ergebnisse. Nachteil: Die Schüler werden sich in diesem Fall nur an ihr eigenes Lernatelier erinnern und nicht an die der anderen Schüler.

Bei passender Gelegenheit sollte auf die verschiedenen, von der Jahreszeit abhängigen Bahnen der Sonne am Himmel hingewiesen werden.

Abb. 15: Stand der Sonne im Sommer und im Winter

Die Sonne steht im Sommer höher und strahlt "stärker" auf die Erdoberfläche. Die Neigung der Sonnenstrahlen an einem bestimmtem Ort auf der Erde beein­flusst die Temperatur an diesem Ort.

Abb. 16: In der Position 1 werden 5 Strahlen "eingefangen" (das entspricht der Si­tuation im Sommer), während in der Position 2 nur 3 Strahlen "eingefangen" wer­den (das entspricht der Situation im Winter). Der geneigte "Sonnenkollektor" (der die Sonnenstrahlen "einsammelt"), empfängt im Winter weniger Energie, d. h. die Temperatur ist niedriger.

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Fußnoten

1: Die geografischen Pole 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 geografischen Südpols liegt.

2: In der Grundschule kann man noch nicht von Gravitation und Anziehungs­kraft zweier Massen sprechen. Zur Erinnerung für die Lehrenden: Kraft = Konstante x (Masse der Erde x Masse des Gegenstandes) / Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Erdmittelpunkt im Quadrat.

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