Vorbereitende Aktivitäten für die Lehrerin und die Schüler

Autoren:
Publikation:	9.11.2005
Übersicht:	Es werden Experimente vorgeschlagen, auf die sich die Lehrerin stützen kann, um in ihrer Klasse entsprechende Aktivitäten zu organisieren. Mit Hilfe einer Taschenlampe und zweier Bälle werden Sonne, Erde und Mond simuliert. Die Schüler sollen dazu gebracht werden, das Ereignis einer Mondfinsternis selbst nachzustellen und vorauszusagen, was bei einer Mond­finsternis zu beobachten ist.
Material:	schwenkbare Bürolampe
Herkunft:	La main à la pâte, Paris

Wenn man mir von Finsternissen erzählen würde

Das Schauspiel einer Finsternis – ob Mond- oder Sonnenfinsternis – begeistert nicht nur Astronomen. Aber was ist eine Finsternis genau? Die Antwort ist ei­gentlich ganz einfach. Damit eine Finsternis eines Gestirns (Mond, Sonne, ...) stattfindet, d. h. damit der Eindruck erweckt wird, dass Mond oder Sonne mehr oder weniger dunkel werden, ja sogar verschwinden, sind drei "Teilneh­mer" nötig, die miteinander Verstecken spielen. Um das zu verdeutlichen, braucht man eine Lichtquelle und zwei Gegenstände, die alle drei auf einer Linie liegen, so dass einer der Gegen­stände sich zwischen dem anderen Gegen­stand und der Lichtquelle befindet.

Abb. 1: Wie entsteht eine Finsternis?

Wie Abb. 1 zeigt, gibt es in diesem Fall zwei Möglichkeiten. Wenn es sich bei den drei Teilnehmern um Sonne, Erde und Mond handelt, erlebt ein Beobachter auf der Erde (Fall A) eine Mondfinsternis: Der Mond, der hinter unserem Plane­ten "versteckt" ist, wird nicht mehr von den Sonnenstrahlen beschienen.

Im Fall B erlebt der Beobachter eine Sonnenfinsternis: Von der Sonne, die vom Mond "versteckt" – oder besser gesagt: verdeckt – wird, ist nur noch die Ko­ro­na zu sehen. An dieser Stelle sei daran erinnert, dass eine Sonnenfinsternis nur aufgrund eines bemerkenswerten Zufalls zu beobachten ist: Von der Erde aus gesehen sind Sonne und Mond fast gleich groß ... Warum? Weil der Mond, dessen Durchmesser in Wirklichkeit 4000 Mal kleiner als derjenige der Sonne ist, gleichzeitig 400 Mal näher an der Erde ist!

Totale Finsternis einer Lampe

Für die Simulation einer totalen Mondfinsternis setzt sich die Versuchsperson in einem abgedunkelten Zimmer vor eine nicht zu starke Lichtquelle (Bürolampe oder Taschenlampe). Die Lampe stellt die Sonne dar; der Kopf der Versuchs­person ist die Erde, ihr Auge ein sich auf der Erde befindlicher Beobachter, und ihre zur Faust geballte rechte Hand der Mond.

Abb. 2: Unterschied zwischen totaler und partieller Mondfinsternis

Die Versuchsperson sitzt so, dass sie der Lampe den Rücken zukehrt. Sie hebt die Faust in Höhe ihres Gesichts und zwar mit leicht nach rechts ausgestreck­tem Arm. Ihre Faust ist beleuchtet, es ist somit Vollmond. Die Versuchsperson bewegt nun die Faust leicht nach links: Sobald sie an ihrem Gesicht vorbei­zieht, wird sie dunkel (sie wird nicht mehr von der Lampe beleuchtet): Das ist die Mondfinsternis.

Die Finsternis wird zu Ende sein, sobald die Faust der Versuchsperson wieder beleuchtet ist, also nachdem sie an ihrem Gesicht vorbeigezogen ist. Eine Mondfinsternis kann von allen Beobachtern, die sich auf einer Hälfte der Erde – auf deren Nachtseite! – befinden, gesehen werden, was für Sonnenfinsternisse nicht zutrifft.

Gewiss werden die Kinder bemerkt haben, dass der Schatten der Versuchsper­son auf die Wand fällt, und dass im Augenblick der Finsternis, der Schatten ihrer Faust in den Schatten ihres Kopfes "eingetreten" ist. In der Tat ist ihre Faust in einen Schattenbereich eingedrungen, der jedoch dreidimensional ist und sich zwischen Versuchsperson und Wand befindet. Mit unserem Planeten geschieht genau das Gleiche. Da die Erde kugelförmig ist, hat ihr Schattenbe­reich die Form eines sehr lang gezogenen Kegels. Bei einer totalen Mondfins­ternis dringt der Mond völlig in den Kegelschatten der Erde ein und verlässt ihn nach durchschnittlich anderthalb Stunden wieder.

Die Versuchsperson fängt noch einmal von vorn an, aber hält ihre Faust jetzt ein bisschen höher, so dass nur ihr unterer Teil in den Schattenbereich ihres Kopfes eintritt. (Die Versuchsperson kann das leicht prüfen, indem sie einen Blick auf die Wand wirft.) Da die obere Hälfte ihrer Faust beleuchtet bleibt, hat sie gerade eine partielle Finsternis nachgestellt.

Die Versuchsperson macht das Ganze nun ein letztes Mal und hält diesmal ihre Faust noch höher. Dann wird überhaupt keine Finsternis stattfinden! So zieht auch der Mond die meiste Zeit entweder oberhalb oder unterhalb des Schat­tenbereichs der Erde vorbei, weil die Ebene seiner Umlaufbahn mit derjenigen unseres um die Sonne kreisenden Planeten einen Winkel von etwa 5 Grad bildet: Wenn diese beiden Ebenen in einer Ebene zusammenfallen würden, dann fände einmal im Monat, immer bei Vollmond, eine totale Finsternis statt! Dass sich Sonne, Erde und Mond auf einer Linie befinden, geschieht dennoch, aber ziemlich selten: Es gibt drei oder vier Mondfinsternisse im Jahr – alle Arten von Finsternissen zusammengenommen. Es gibt nämlich noch eine weitere Art von Mondfinsternissen. Man nennt sie Halbschattenfinsternis: Aber was ist der Halbschatten?

Kernschatten und Halbschatten

Wenn ein Gegenstand durch eine nicht punktförmige Lichtquelle beleuchtet wird, besteht der Schattenbereich, der sich hinter ihm bildet, tatsächlich aus zwei Teilen: dem Schatten als solchem – dem Kernschatten – und einem "hel­leren" Schatten, der den Kernschatten umschließt – dem Halbschatten. Dieser ist normalerweise nicht immer leicht zu entdecken, außer durch eine mehr oder weniger sichtbare Verschwommenheit am Schattenrand. Wenn ihr aber eine Lampe besitzt, die sich drehen lässt und mit einem glatten, metallischen Re­flektor versehen ist – auch eine einfache Taschenlampe reicht aus –, müsstet ihr theoretisch den Halbschatten erkennen können, der den Schatten eines Gegenstandes umgibt, wenn ihr folgendermaßen vorgeht:

Die Versuchsperson entfernt sich diesmal vom Lichtstrahl und stellt irgendeinen Gegenstand, der die Erde darstellt, zwischen die Lampe und ein weißes Blatt Papier, das etwa 1,5 Meter von der Lampe entfernt ist. Es entsteht ein Schat­ten, der im Zentrum sehr dunkel ist, aber von einem helleren, einige Zentime­ter breiten Rand umgeben ist. Dieser Rand ist nichts anderes als der Halb­schatten (Abb. 2). Wenn der Gegenstand kreisförmig ist, bildet der Halbschat­ten einen Ring: Ihr könnt eine Halbschattenfinsternis simulieren, wenn ihr einen kleinen Papiermond zwischen Lampe und Wand positioniert (Abb. 3a). Wenn die Lichtquelle kleiner wird – indem man z. B. den Reflektor der Lampe entfernt –, wird auch der Halbschatten kleiner (Abb. 3b). Er verschwindet ganz, wenn die Quelle punktförmig wird, wie beispielsweise bei einer nackten Halogenlampe.

Abb. 3: Schatten und Halbschatten

Abb. 4 zeigt die Vorgänge bei einer totalen Mondfinsternis (ohne Rücksicht auf Proportionen). Da die Sonne größer ist als die Erde, wird – im Gegensatz zu Abb. 3 – der Schattenkegel immer schmaler. Da die Lichtquelle sehr weit von unserem Planeten entfernt ist, ist dieser Kegel sehr in die Länge gezogen (seine Spitze ist über eine Million Kilometer entfernt!) und der Winkel, den er mit dem Halbschatten bildet, ist praktisch null (er beträgt nur etwa ein Grad). Auf dieser Skizze kann man außerdem erkennen, dass eine totale Mondfins­ter­nis mit dem Halbschatten beginnt, dann zu einer partiellen, und schließlich zu einer totalen Mondfinsternis wird.

Abb. 4: Die verschiedenen Phasen einer totalen Mondfinsternis

Wie sich das Aussehen unseres Erdtrabanten während einer Finsternis ändert, wird im pädagogischen Teil detailliert erklärt. Wir stellen zunächst einfach fest, dass der Mond mehr oder weniger dunkel wird und in bestimmten Fällen eine hübsche kupferfarbene oder rötliche Färbung erhält. Diese Färbung verdankt er der Erdatmosphäre, die einen Teil der Sonnenstrahlen an den Mond "weiter­gibt", nachdem sie die blauen Strahlen absorbiert hat.

Kugeln "verfinstern"

Im nächsten Schritt versuchen die Kinder mit Hilfe von Kugeln und Bällen "in echt" Finsternis zu spielen. Manche Kinder werden wahrscheinlich, nachdem sie die oben beschriebenen Simulationen brav nachgestellt haben, die Rollen der beiden Himmelskörper vertauschen wollen und der Lehrerin mitteilen: "Schau mal! Ich versuche, meine Erde im Schatten meines Mondes zu ver­finstern, aber das klappt nicht, weil mein Mond kleiner ist! Und schau mal, wie lustig das aussieht: Man sieht den kleinen Kreis des Schattens der Kugel, wie er auf dem Ball spazieren geht!" Unser junger Forscher ahnt nicht, dass er – oh Wunder! – gerade dabei ist, eine Sonnenfinsternis zu simulieren.

Verschiedene Gegenstände "verfinstern"

Zweifellos werden die Kinder auch sehen wollen, was mit Gegenständen ge­schieht, die nicht kugelförmig sind. Sie werden zunächst jene nehmen, die ihnen in die Hand fallen. Dann wird die Lehrerin ihnen vorschlagen, Gegen­stände zu verwenden, die rund aber flach sind, anschließend welche, die flach sind, aber unterschiedliche Formen haben, und schließlich auch dreidimensio­nale Gegenstände (aus Baukastenelementen hergestellt: Zylinder, Würfel, Pyramiden). Diese Gegenstände werden zunächst als "Erde" oder "Mond" fun­gieren (sie werden also mit einem kleinen oder einem großen Ball verknüpft) und dann beide Rollen übernehmen.

Die Schüler werden Verschiedenes feststellen: Beispielsweise hängt der Schat­ten eines flachen Gegenstandes stark von seiner Ausrichtung gegenüber der Lichtquelle ab. Außerdem sieht der Schattenbereich einer Scheibe, deren Ebe­ne parallel zur Lichtquelle steht, aus wie der Schatten einer Kugel. Und schließ­lich erscheint der gerade Rand eines kleinen Brettes auf einer Kugel gekrümmt, während er auf einer Scheibe gerade bleibt.

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