Simulation einer Mondfinsternis

Autoren:
Publikation:	9.11.2005
Übersicht:	Es werden eine Mondfinsternis und die Entstehung des Halbschattens nachgestellt.
Ziele:	Fähig sein, während des Beobachtens oder Experimentierens genaue und untereinander zusammenhängende Fragen zu stellen. Einige astronomische Phänomene verstehen und behalten. Ein paar einfache Modelle zu diesen Phänomenen verstehen.
Material:	eine Taschenlampe ein Diaprojektor ein Zylinder aus Bristolpapier ein "Erdball" (großer Ball) und ein "Mondball" (kleiner Ball)
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Mit Projektor und Bällen eine Finsternis simulieren

Der in der ersten Unterrichtsstunde beschriebene Versuch ist für die Kinder spannend. Aber noch besser ist es, sie in einem verdunkelten Raum an einer spektakuläreren Simulation teilhaben zu lassen: Hierzu ist nur einfaches Mate­rial notwendig und zwar dasselbe, das weiter oben beschrieben wurde, um die Mondphasen zu simulieren. Auf einem Schülertisch wird der "Erdball" auf einem Zylinder aus Bristolpapier positioniert. Die Lichtquelle befindet sich auf gleicher Höhe, um ihn direkt anzuleuchten.

Die Kinder setzen sich in zwei Reihen hinter den "Erdball" (Abb. 1) mit Blick­richtung zur Wand. Sobald die Lichtquelle leuchtet, werden sie sehen, wie der Schatten des Balls auf die Wand geworfen wird (neben anderen Schatten, die in der Abbildung nicht zu sehen sind). Schon hier sei angemerkt, dass der Kegel des Halbschattens im Allgemeinen nicht erkennbar ist (aus verschiede­nen Gründen), so dass die Halbschatten-Finsternis erst später nachgestellt wird.

Abb. 1: Sitzanordnung für die Simulation

Vorbereitende Simulation

Ziel der Simulation ist es, zu zeigen, dass der Schattenbereich hinter dem "Erdball" auch anders nachgewiesen werden kann als durch seine Projektion auf die Wand, und dass er dreidimensional ist. Den Kindern wird bei dieser Gelegenheit bewusst werden, dass ein Schatten keine materielle Beschaffen­heit hat: Schatten bedeutet Abwesenheit von Licht. Er ist außerdem hinter dem beleuchteten Gegenstand nicht erkennbar. Damit man ihn "sieht", muss er auf einen Widerstand treffen.

Die Lehrerin stellt sich neben die Schüler und hinter den Ball. Sie hält ihre geöffnete Hand in das Licht und bewegt sie dann langsam, so dass sie sich verdunkelt, sobald der Ball das Licht abschirmt. Die Zuschauer werden Fol­gendes bemerken: "Der Schatten der Hand tritt auf der Wand in den Schatten des Balls ein und verbirgt sich in ihm!" Die Lehrerin wiederholt den Vorgang, aber jedes Mal von einer anderen Stelle aus, damit die Grenzen des Schatten­bereichs sowohl in der Breite wie in der Höhe erkennbar werden, und natürlich auch in der Tiefe. Die Kinder entdecken, dass er eine kegelförmige Gestalt besitzt, da der Schatten, der auf die Wand geworfen wird, größer ist als der Ball selbst. Im Vorübergehen erklärt die Lehrerin, dass der Schattenkegel unseres Planeten im Gegenteil dazu immer kleiner wird, je weiter er von der Erde entfernt ist, bis er in einem Punkt endet. Das liegt daran, dass die Sonne sehr viel größer ist als die Erde (während es in unserem Modell genau anders herum ist).

Simulation ohne Finsternis

Die Lehrerin nimmt den "Mondball" und lässt ihn – gegen den Uhrzeigersinn – um den "Erdball" kreisen. Sie achtet zunächst darauf, dass er ein wenig oberhalb des Schattenkegels vorbeizieht. Die Kinder stellen etwas enttäuscht fest: "Er ist nicht dunkel geworden, weil du ihn zu hoch hast vorbeiziehen lassen!" Die Lehrerin rechtfertigt die Wahl dieser Bahn, indem sie darauf hinweist, dass es sich dabei um die übliche Mondbahn handelt, die nur bei seltenen Gelegenheiten anders verläuft.

Simulation mit totaler Finsternis

Der "Mondball" dreht eine neue Runde. Diesmal lässt ihn die Lehrerin mitten durch den Schattenkegel ziehen. Entzückt rufen die Kinder: "Jetzt, jetzt geht er aus! Aber er wird wieder angehen, wenn er aus dem Schatten heraustritt!" Nachdem die Lehrerin den Zuschauern die korrekte Wortwahl für ihre Kommen­tare mitgeteilt hat ("Der Ball verfinstert sich und wird dann wieder beleuch­tet."), führt sie zwei oder drei zusätzliche Umdrehungen durch, um Folgendes zu erläutern: Unmittelbar vor der Finsternis ist der ganze Ball beleuchtet, es ist also Vollmond. Die totale Finsternis dauert mehr oder weniger lange, je nach Strecke, die im Schattenbereich durchlaufen wird. Sie kann von jeder Stelle auf der Nachtseite des "Erdballs" aus beobachtet werden. Die beiden Bälle und der Projektor liegen auf einer Linie: "Man könnte alle drei auf eine große Gardinenstange aufspießen."

Simulation mit partieller Finsternis

Die Lehrerin führt die Kinder dazu, nach einer weiteren Art zu suchen, den "Mondball" durch den Schattenkegel ziehen zu lassen, nämlich weder völlig außerhalb, noch völlig innerhalb desselben. Sie vertraut den "Mondball" einem Schüler an, der die Lösung finden wird: Der Ball muss genau am Rand des Schattenkegels vorbeiziehen, wobei er leicht in ihn eintritt. Die Zuschauer kommentieren: "Wenn sich der Mond auf dieser Bahn bewegt, wird er immer ein wenig beleuchtet und sieht aus wie ein merkwürdiges Croissant!"

Bleiben wir bei dem "merkwürdigen Croissant": Wenn ein Schüler aufgefordert wird, erneut eine totale Finsternis nachzustellen (Abb. 2), indem er den "Mondball" sehr langsam in den Schattenkegel eindringen lässt, werden seine Klassenkameraden sehen, dass der totalen eine partielle Finsternis vorangeht. Am Anfang ist die beleuchtete Seite durch den Schatten nur ein wenig "ange­fressen" (2. Foto). Einige Kinder werden sich an die Fotos erinnern, die sie im Internet und/oder Sachbüchern gesehen haben, und ihren Irrtum erkennen. Was eine partielle Mondfinsternis darstellte, hatten sie für einen zu- oder abnehmenden Mond gehalten!

Abb. 2: Simulation einer Mondfinsternis mit Bällen und einem Projektor

Den Halbschatten simulieren

Wenn die Taschenlampen mit einem ziemlich glatten, möglichst runden Reflek­tor ausgestattet sind, erlauben es die folgenden Spielchen, den Halbschatten zu entdecken und zwar auf sehr einfache Weise (Abb. 3). Man legt die Lampe auf einen Stuhl oder einen Tisch, damit sie einen vor ihr aufgestellten Gegen­stand beleuchtet (z. B. einen kleinen Zylinder aus Bristolpapier). In kurzem Abstand wird eine weiße Leinwand (aus Bristolpapier) an der Stuhllehne oder Tischkante befestigt. Auch die Oberfläche von Stuhl oder Tisch zwischen Lampe und Leinwand sollte weiß sein, sie kann gegebenenfalls einfach mit weißen Papier ausgelegt werden. Die Lehrerin führt das folgende Experiment nacheinander drei Gruppen von je zehn Schülern vor, die es anschließend nach Belieben wiederholen können.

Den Halbschatten entdecken

Wenn durch den Schein einer Taschenlampe der Schatten des Zylinders auf die Leinwand geworfen wird, erkennen die Kinder zwei unterschiedliche Bereiche: einen dunkelgrauen in der Mitte und einen hellgrauen rundherum. Die Lehrerin erläutert, dass der hellgraue Schatten als "Halbschatten" bezeichnet wird und den eigentlichen Schatten, den Kernschatten umgibt. Das Gleiche passiert mit unserem Planeten. Dann zeigt sie mit einer sehr kleinen Scheibe aus Bristolpa­pier, dass sich Mondfinsternisse ereignen, die durch den Halbschatten bewirkt werden. Die Kinder stellen fest, dass sich die weiße Farbe der Scheibe nur un­wesentlich ändert, wenn sie sich durch den Bereich des Halbschattens oben am Zylinder bewegt (a in Abb. 3). Dringt sie allerdings in den eigentlichen Schattenbereich ein, sieht es ganz anders aus. Sie schließen daraus: "Beim wirklichen Mond muss das genau so sein!"

Abb. 3: Kern- und Halbschatten

Mit dem Halbschatten spielen

Nun lenkt die Lehrerin die Aufmerksamkeit der Schüler auf die Tatsache, dass die beiden Schattenbereiche auch auf dem Tisch hinter dem Zylinder zu sehen sind, der Halbschatten aber unmittelbar am Fuß des Zylinders verschwindet. Er taucht erst langsam auf und wird bis zur Leinwand hin immer größer. Ein Kind wird jetzt damit beauftragt, den Zylinder langsam zur Leinwand zu schieben. Nun rufen seine Kameraden, die sich das Wort "Halbschatten" noch nicht mer­ken konnten: "Der hellere Schatten wird immer kleiner und kleiner! Jetzt sieht man ihn überhaupt nicht mehr!" In der Tat bleibt nur noch der "dunkle", mit deutlichen Rändern versehene Schatten sichtbar, wenn der Zylinder unmittel­bar vor der Leinwand aus Bristolpapier steht. Der Zylinder geht nun den umge­kehrten Weg, bis unmittelbar vor die Lampe. Die Zuschauer erleben nun, wie auf dem Tisch und der Leinwand der Halbschatten wieder erscheint und immer größer wird.

Das Phänomen "durch das kleine Schlüsselloch" beobachten

Der Zylinder kommt wieder in seine Ausgangsposition, etwa in die Mitte zwi­schen Lampe und Leinwand. Der Halbschatten auf der Leinwand sollte etwa 2 bis 3 cm breit sein. Mit zunehmender Neugier sehen die Kinder, wie die Lehrerin mit einer Stecknadel vier etwa auf einer Linie liegende Löcher in die Leinwand sticht – wie bei b in Abb. 3 gezeigt. Das erste Loch liegt im beleuch­teten Bereich, die zwei nächsten im Halbschatten, das vierte im Schatten.

Ein Schüler wird aufgefordert, sich hinter die Leinwand zu begeben und nach­einander in jedes Loch zu blicken: "Da sehe ich die ganze Lampe! (Loch 1). Hier sehe ich sie auch, aber sie ist etwas verdeckt! (Loch 2). Jetzt sehe ich sie fast gar nicht mehr! (Loch 3). Ach, und hier ist es im Loch völlig dunkel! (Loch 4)." Das Bristolpapier ist dünn genug, so dass das Licht der Lampe auch auf der Rückseite erkennbar ist, ebenso wie die beiden Schattenbereiche. Alle Kinder werden nun reihum die Aussagen des ersten Kindes überprüfen, vor allem in Bezug auf die Tatsache, dass in den beiden Löchern des Halbschat­tenbereichs die Lichtquelle teilweise zu sehen ist. Sie werden dadurch begrei­fen, warum ein Schatten entstehen konnte. Es wird ihnen außerdem logisch erscheinen, dass dieser Schatten heller ist, als wenn alle Lichtstrahlen ge­stoppt werden.

Zum Abschluss schlägt die Lehrerin folgendes Spiel vor: Die Leinwand aus Bristolpapier wird entfernt und durch eine andere ersetzt. Diese ist von doppelter Stärke und somit lichtundurchlässig, außerdem beweglich mit einem einzigen kleinen Nadelloch in der Mitte. Das Loch ist auf der Zuschauerseite mit einem großen roten Punkt markiert. Ein Kind setzt sich ans Ende der Sitzbank oder des Tisches, hält die Leinwand vor sein Gesicht und bewegt sie leicht hin und her. Aus dem, was es im Loch erkennt, soll es schließen, wo sich das Loch befindet: im beleuchteten Bereich, im Schattenbereich oder im Halbschatten. Die Zuschauer werden die Antwort ganz einfach anhand der Lage des roten Punktes auf der Leinwand überprüfen können. Umgekehrt können sie das Kind bitten, das Loch ins Licht, in den Schatten oder den Halbschatten zu positionieren.

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