Arbeitsblatt: Arbeitsdossier Mond

Material-Details

Aufbau, erste Mondlandung, Mondphasen, etc.
Lebenskunde
Anderes Thema
4. Schuljahr
1 Seiten

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193030
43
3
21.01.2020

Autor/in

Livia Rose
Land: Schweiz
Registriert vor 2006

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Textauszüge aus dem Inhalt:

www.DLR.de/next Erde und Mond Lehrermaterialien und Mitmach-Experimente mit CD-ROM Klassen 3 bis 6 Erde und Mond Lehrermaterialien und Mitmach-Experimente mit CD-ROM Klassen 3 bis 6 Bildquellennachweis Wo nicht anders angegeben, stammen die Fotos vom Schülerforschungszentrum Südwürttemberg Bad Saulgau SFZ. 1. Auflage 2014 Eine Zusammenarbeit des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Klett MINT GmbH Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Köln und Klett MINT GmbH, Stuttgart, in Kooperation mit dem Schülerforschungszentrum Südwürttemberg in Bad Saulgau (SFZ ) Autoren: Heidrun Boll, Marita Lehn, Christa Müller, Margret Tomczyk (alle Schülerforschungszentrum Südwürttemberg in Bad Saulgau SFZ ), Ulrich Köhler, Dr. Volker Kratzenberg-Annies (beide DLR) Mit Unterstützung von: Dr. Christoph Pawek, DLR Redaktion: Hanne Lier, Medienwerk Lier, Stuttgart Projektkoordination und Herstellung: Petra Wöhner Gestaltung: Bettina Herrmann, Stuttgart Illustrationen: Daniel Scherer, Landau Lektorat: Karin Rossnagel, Stuttgart Presswerk: Osswald GmbH Co., Leinfelden-Echterdingen Druck: C. Maurer Druck und Verlag GmbH Co. KG, Geislingen an der Steige Haftungsausschluss Die in dieser Broschüre beschriebenen Mitmach-Experimente wurden sorgfältig ausgearbeitet. Sie können jedoch auch bei ordnungsgemäßer Durchführung und Handhabung mit Gefahren verbunden sein. Die hier vorgeschlagenen Mitmach-Experimente sind ausschließlich für den Einsatz im Schulunterricht vorgesehen. Ihre Durchführung sollte in jedem Fall durch eine Lehrkraft betreut werden. Die Richtlinien zur Sicherheit im Schulunterricht sind dabei einzuhalten. Das DLR kann keine Garantie für die Richtigkeit, Vollständigkeit und Durchführbarkeit der hier beschriebenen Experimente geben. Das DLR übernimmt keine Haftung für Schäden, die bei Durchführung der hier vorgeschlagenen Mitmach-Experimente entstehen. Das DLR übernimmt keine Verantwortung oder Gewähr für die Richtigkeit der Inhalte auf genannten Webseiten Dritter. Hinweis zur Genehmigung des Nachdrucks Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt. Für nicht-kommerzielle schulische Zwecke ist das Kopieren der Materialien erlaubt und erwünscht. Kopieren, Nachdruck oder Vervielfältigung, auch auszugsweise, außerhalb des Unterrichtseinsatzes nur mit schriftlicher Genehmigung des Deutschen Zentrums für Luftund Raumfahrt (DLR) und des Verlages. Hinweis § 52 UrhG: Weder das Werk noch seine Teile dürfen ohne eine solche Genehmigung eingescannt und in ein Netzwerk eingestellt werden. Dies gilt auch für Intranets von Schulen und sonstigen Bildungseinrichtungen. Vorwort Man nehme eine Styroporkugel, ein paar Zahnstocher und eine Taschenlampe. Das sind die „Zutaten für ein faszinierendes Mitmach-Experiment, das in Anlehnung an einen legendären Versuch aus der Antike beweist: Die Erde ist eine Kugel und keine Scheibe. So einfach und gleichzeitig spannend kann Wissenschaft sein! Viele solcher Versuche, die Sie ohne großen Aufwand und mit „Bordmitteln im Unterricht umsetzen können, haben wir in diesem Buch für Sie entwickelt und ausgearbeitet. Thema dieser Unterrichtsmaterialien ist die Erde – zusammen mit dem Mond, unserem kosmischen „Begleiter. Entstanden ist dieses Buch in einer Zusammenarbeit des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Klett MINT Verlages und des Schülerforschungszentrums Südwürttemberg in Bad Saulgau (SFZ). Es knüpft an den Band „Unser Sonnensystem an, der im Frühjahr 2014 ebenfalls in dieser Reihe erschienen und auf eine enorm positive Resonanz bei vielen Lehrkräften gestoßen ist. Das hat uns sehr gefreut und in dem Konzept bestärkt, das beiden Büchern gemeinsam ist und das aus fachlich fundierten Informationen, praxiserprobten Unterrichtseinheiten sowie leicht zu realisierenden „Hands-on-Experimenten besteht. Entdecken Sie mit Ihren Schülerinnen und Schülern unsere Welt mit neuen Augen! Zum Beispiel mit den „Augen von Satelliten, die unsere Erde aus der faszinierenden Perspektive des Weltalls zeigen – oft mit wichtigen Anwendungsbezügen etwa zur Umweltforschung. Gehen Sie auf eine „Gedankenreise durch die Zeit – von der Entstehung unseres Planeten bis heute! Betrachten Sie den Mond aus der Nähe; Raumsonden machen es mit brillanten Bildern möglich. Wir garantieren Ihnen: Über so manche Sachverhalte und Erklärungen werden auch Sie selbst staunen! Denn vieles, was uns selbstverständlich erscheint, ist es bei genauerer Betrachtung dann doch nicht. So kennt zwar jedes Kind den „Mann im Mond – jenes „Gesicht, das wir im Vollmond zu erkennen glauben. Doch woher kommen eigentlich diese hellen und dunklen Flecken auf dem Mond? Wir alle wissen, dass sich die Erde in 24 Stunden einmal um sich selbst dreht. Aber warum dreht sich die Erde überhaupt? Dass es Gezeiten gibt, weil der Mond die Wassermassen der Erde anzieht – ja, so erklärt man üblicherweise, wie die Flut in den Weltmeeren entsteht. Aber warum gibt es auf der entgegengesetzten Seite der Erde, die ja vom Mond abgewandt ist, gleichzeitig einen zweiten „Flutberg? Haben wir Sie mit diesen wenigen Fragen ins „Grübeln gebracht und neugierig gemacht? Gut! Genau das gelingt Ihnen ganz sicher auch bei Ihren Schülerinnen und Schülern! Alles Hintergrundwissen, das Sie zur Beantwortung dieser spannenden „Rätsel benötigen, und auch die Antworten auf viele andere Fragen finden Sie zusammen mit zahlreichen Anregungen zur Vermittlung in diesem Heft. Eröffnen Sie den Kindern und Jugendlichen eine faszinierende Welt – ihre eigene! Prof. Dr.-Ing. Johann-Dietrich Wörner Vorsitzender des Vorstands des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Dr. rer. nat. Dierk Suhr Geschäftsführer Klett MINT GmbH 3 Inhaltsverzeichnis Einleitung 6 TEIL A: ERDE 1. Die Erde im Überblick . 9 4. Die Atmosphäre 40 1.1 Mitmach-Experiment: Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit einem Schiff am Horizont 11 Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit einem Schiff am Horizont . 12 4.1 Mitmach-Experiment: Die Erdatmosphäre im Querschnitt . 42 5. Erdrotation und Erdbahn . 43 1.2 Mitmach-Experiment: Die Erde – Kugel oder Scheibe? Das legendäre Experiment aus der Antike 14 Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit Zahnstochern 17 1.3 Mitmach-Experiment: Die „Abplattung der Erde 19 1.4 Mitmach-Experiment: Die „habitable Zone Der richtige Abstand zur Sonne . 20 5.1 Mitmach-Experiment: Die Erdrotation Die Sonnenuhr – und ein Drehstuhl-Experiment als Hinführung . 48 Die Sonnenuhr 49 5.2 Mitmach-Experiment: Das „Foucaultsche Pendel auf dem Drehstuhl . 50 5.3 Mitmach-Experiment: Basteln eines Telluriums 52 So entstehen die Jahreszeiten – bastel dir ein Erde-Modell (Tellurium) . 54 2. Die Entwicklung der Erde . 21 2.1 Mitmach-Experiment: Der Zeitstrahl 23 Eine Zeitreise vom Anfang der Erde bis heute . 25 2.2 Mitmach-Experiment: hell und dunkel – kalt und warm . 27 Der Flaschen-Test: hell und dunkel – kalt und warm 28 6. Die Erde wird neu entdeckt . 56 6.1 Mitmach-Experiment: Auf Planeten-Jagd 59 Gehe auf Planeten-Jagd! 60 3. Der Aufbau der Erde . 30 Das Wichtigste merke ich mir! 62 3.1 Mitmach-Experiment: Schichtmodell der Erde Ein gefüllter „Wasserball als Erde . 33 3.2 Mitmach-Experiment: Schichtmodell der Erde II Ein gefüllter Luftballon als Erde 34 Bau dir deine eigene Erdkugel . 35 3.3 Mitmach-Experiment: Das Erdteil-Puzzle Kontinentaldrift im Zeitraffer . 36 3.4 Mitmach-Experiment: Das Magnetfeld der Erde 38 Möglichkeiten zur Vertiefung . 39 4 Ergebnissicherung 47 Möglichkeiten zur Vertiefung . 55 Inhaltsverzeichnis TEIL B: MOND 7. Der Mond – unser kosmischer Begleiter 64 7.1 Zum Einstieg: Vorwissen zum Mond . 66 7.2 Mitmach-Experiment: Größe des Mondes und Entfernung von der Erde . 66 7.3 Mitmach-Experiment: Der Mond kreist um die Erde 67 7.4 Mitmach-Experiment: Den Mond beobachten 67 7.5 Mitmach-Experiment: Der „Mann im Mond 68 Der „Mann im Mond . 69 11. 11.1 Mitmach-Experiment: Die Mondphasen im Handversuch 88 Stell die Mondphasen selbst dar . 89 11.2 Mitmach-Experiment: Die Mondphasen am Tellurium . 90 Bastel einen Mond an dein Tellurium 91 11.3 Mitmach-Experiment: Die Mondphasen am Himmel erkennen . 92 So erkennst du die Mondphasen am Himmel . 93 Möglichkeiten zur Vertiefung . 94 12. 8. Der Aufbau des Mondes 70 8.1 Mitmach-Experiment: Der „leichte Mond . 73 8.2 Mitmach-Experiment: „Mondsprünge 74 Möglichkeiten zur Vertiefung . 74 9. Die Oberfläche des Mondes . 40 9.1 Mitmach-Experiment: Krater selbst erzeugen 78 Wie sind die Krater auf dem Mond entstanden? 79 9.2 Mitmach-Experiment: Mondoberfläche analysieren 80 Was verraten die Krater auf dem Mond? . 81 Möglichkeiten zur Vertiefung . 82 10. Neumond, Halbmond, Vollmond . 85 Ebbe und Flut 95 12.1 Mitmach-Experiment: Ebbe und Flut im Modell 97 13. Unser Trabant wird erkundet . 99 13.1 Mitmach-Übung: „Bordtagebuch einer Mond-Mission 104 13.2 Zum Abschluss: Visionen für die Zukunft Eine Mondkolonie 105 Das Wichtigste merke ich mir! 106 ANHANG Tellurium für den Klassenraum . 108 Das Mondspiel 112 Materiallisten für die Mitmach-Experimente . 116 Die Entstehung des Mondes 83 INHALT DER CD-ROM Gesamt-PDF des Heftes PowerPoint-Präsentation „Erde und Mond Vorlagen zum Ausdrucken 5 Einleitung Einleitung In der Raumfahrt geht es oftmals um die Erkundung fremder Welten. In diesem Heft wollen wir – das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Verlag Klett MINT – Sie auf eine Entdeckungsreise zu einem ganz besonderen Planeten mitnehmen: unserem eigenen „Blauen Planeten Erde. Bei dieser Gelegenheit unternehmen wir außerdem einen Ausflug zu unserem kosmischen Begleiter, dem Mond. Vieles gibt es da für Ihre Schülerinnen und Schüler zu entdecken – vielleicht auch für Sie. Wussten Sie zum Beispiel, dass sich unser Trabant (wenn auch nur ganz allmählich) von uns entfernt? Wie kommt es zu Sonnen- und Mondfinsternissen? Warum sieht man den Mond manchmal auch tagsüber am Himmel, und wie erklärt man altersgerecht die Mondphasen mit Neumond, Halb- und Vollmond? Auch mit Blick auf die Erde gibt es viele spannende Fragen: Warum konnte hier Leben entstehen, während der Mond direkt in unserer Nachbarschaft ein lebensfeindlicher Himmelskörper blieb? Wie ist unser Planet in seinem Innern aufgebaut? Wie haben Menschen schon in der Antike herausgefunden, dass die Erde eine Kugel und keine Scheibe ist – und wie können Kinder all das nachvollziehen und begreifen? Dieser Band enthält alle wichtigen Informationen, die für Sie als Lehrkraft nötig sind, um diese und viele andere spannende Fragen zu behandeln und die Antworten zu vermitteln. Zu jedem Thema gibt es Mitmach-Experimente, die es den Kindern ermöglichen, sich durch aktives Tun die Sachverhalte zu erschließen. Den einzelnen Mitmach-Experimenten ist oft- Ein Foto, das Astronauten von Bord der Internationalen Raumstation ISS aufgenommen haben. Vorne die Erde mit ihrer hauchdünnen Atmosphäre, hinten der Mond. Bild: NASA 6 Einleitung mals ein Schülerblatt beigefügt, das Sie kopieren oder von der beigefügten CD-ROM ausdrucken und verteilen können. Ob Sie all das zu einer größeren Unterrichtseinheit zusammenfassen, in Projektwochen behandeln oder einzelne Aspekte an geeigneter Stelle in den Unterricht einbringen – so oder so hoffen wir, Ihnen mit dieser Lehrerhandreichung viele interessante und hilfreiche Anregungen für einen abwechslungsreichen Unterricht zu präsentieren, der für die Kinder zu einer faszinierenden Entdeckungstour wird! Wie der Band „Unser Sonnensystem, der ebenfalls in dieser Reihe erschienen ist und von Schulen gratis bezogen werden kann, basiert auch dieses Heft auf Erfahrungen von Lehrkräften aus dem Schülerforschungszentrum Südwürttemberg in Bad Saulgau (SFZ) und umfangreichen Informationen von DLRExperten, sorgfältig aufbereitet durch den Klett MINT Verlag. Hier eine kurze Zusammenfassung, wie dieser Band aufgebaut ist: • Jedes Kapitel beginnt mit Hintergrund-Infos für die Lehrkraft, sodass Sie inhaltlich bestens vorbereitet und auch für Schülerfragen präpariert sind. • Detaillierte Beschreibungen erklären den Aufbau und die Durchführung der zahlreichen MitmachExperimente – einschließlich didaktischen Hinweisen und optionalen Vertiefungsmöglichkeiten. • Farbig unterlegte Schülerseiten für den Unterricht beziehen sich auf die jeweiligen Mitmach-Experimente, sind zu deren Begleitung gedacht und geben auch Tipps zur Durchführung und Auswertung. • Zusammenfassungen unter der Überschrift „Das Wichtigste merke ich mir am Ende der Abschnitte „Erde bzw. „Mond festigen das erworbene Wissen der Schülerinnen und Schüler. • Diesem Band beigefügt ist eine CD-ROM, die sämtliche Inhalte des Heftes einschließlich der Schülerseiten und Kopiervorlagen umfasst – ergänzt um eine umfassende Folienpräsentation für den Unterricht. • Die Materialien, die Sie für die Durchführung der Experimente benötigen, sind in Schulen oder Haushalten vorhanden bzw. einfach zu beschaffen. Jedes Mitmach-Experiment enthält eine Materialliste. Am Ende des Buches und auf der CD-ROM werden – als schnelle Hilfe für Sie – alle „Einkaufszettel noch einmal gesammelt aufgeführt. • Das Symbol weist darauf hin, dass die teilweise umfangreichen und größeren Kopiervorlagen für Mitmach-Experimente in „Originalgröße auf der CD-ROM abgespeichert sind. Hinweis: Wir empfehlen Ihnen, alle mit dem Symbol gekennzeichneten Vorlagen direkt aus der Datei „Vorlagen zum Ausdrucken in der Größe 100 auszudrucken, da diese Vorlagen im Heft lediglich zur Ansicht und teils verkleinert abgedruckt sind. In wenigen Fällen müssen diese 1:1-Ausdrucke von der CD-ROM anschließend von DIN A4 auf DIN A3 vergrößert werden, was an den entsprechenden Stellen angegeben ist. 7 1. Die Erde im Überblick 1. Die Erde im Überblick Hintergrund-Info Die Erde ist einer von acht Planeten, die um die Sonne kreisen. Unser Heimatplanet wird dabei von einem Mond begleitet. Rund 150 Millionen Kilometer beträgt der Abstand zur Sonne, etwa 400 000 Kilometer sind es bis zum Mond. Ein Umlauf um die Sonne dauert ein Erdenjahr, und der Mond umkreist unseren Planeten in knapp einem Monat. Die Erde – eine abgeplattete und rotierende „Kugel Wie alle Planeten hat auch die Erde die Gestalt einer Kugel. Sie ist nicht perfekt „kugelrund, sondern etwas abgeflacht: Am Äquator sind es 12 756 Kilometer Durchmesser, von Pol zu Pol 12 714 Kilometer (also 42 Kilometer weniger). Diese Abplattung ist entstanden, weil die Erde kein starrer Körper ist, sondern wegen der enormen Hitze im Innern zu großen Teilen weich und plastisch verformbar. Durch die Rotation der Erde um ihre Drehachse zieht es das weiche Material des Erdinneren infolge der Fliehkraft etwas nach außen – und zwar am Äquator, der am weitesten von der Drehachse entfernt ist, am stärksten. Spannend! Das Märchen von der „Scheiben-Erde Oft hört man, die Menschen hätten im Mittelalter geglaubt, dass die Erde eine Scheibe sei. Das ist nicht ganz korrekt. Schon in der griechischen Antike war die Kugelform der Erde zumindest einigen Gelehrten bekannt, z. B. Pythagoras (ca. 570–510 v. Chr.), Platon (ca. 428–348 v. Chr.) und Aristoteles (384– 322 v. Chr.). Der griechische Gelehrte Eratosthenes (ca. 276–194 v. Chr.) berechnete sogar – indem er zeitgleich den Sonnenstand in zwei weit entfernten Städten verglich – erstaunlich genau den Umfang der Erde, den wir heute präzise mit 40 075 Kilometern am Äquator kennen (die damalige Berechnung wich nur um rund 1000 Kilometer von diesem Wert ab). Dieses Wissen ging auch später nie „verloren, wurde aber teilweise unterdrückt. Hinweis: Zur Scheibe- Kugel-Diskussion Mitmach-Experimente 1.1 und 1.2 Hinweis: Zum Phänomen der Abplattung Mitmach-Experiment 1.3 DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 9 1. Die Erde im Überblick Der dritte Planet von der Sonne aus gezählt: die Erde. Diese Fotomontage zeigt die Planeten in maßstäblichen Größenverhältnissen, jedoch nicht in entsprechenden Entfernungen. Bild: Lunar and Planetary Institute Der richtige Abstand zur Sonne Die Erde rotiert in 24 Stunden einmal um ihre Achse, die durch den geografischen Nord- und Südpol verläuft. Auf der sonnenzugewandten Seite herrscht dann Tag, auf der von der Sonne abgewandten Seite Nacht – wobei „Tag und „Nacht dehnbare Begriffe sind und in den Polregionen Monate dauern können. Die Erdachse steht nicht senkrecht im 90-Winkel auf der Bahnebene, sondern um rund 23 aus der Senkrechten heraus geneigt – also mit ca. 67 leicht „schräg. Diese Schrägstellung führt zu den Jahreszeiten, weil Nord- und Südhalbkugel abwechselnd jeweils ein halbes Jahr lang mehr Sonne erhalten. Dadurch treffen die Sonnenstrahlen in unterschiedlichem Winkel auf die Oberfläche, was auch die Hauptursache für die Temperaturschwankungen im Laufe der Jahreszeiten ist. Im Mittel herrschen auf weiten Teilen der Erde moderate Temperaturen – eine Tatsache, die zusammen mit vielen anderen Faktoren für die Entwicklung von Leben entscheidend war. Hinweis: Zu den Jahreszeiten 5.3 in Kapitel 5 Mitmach-Experiment Spannend! Die „habitable Zone Die bewohnbare (die sogenannte „habitable) Zone um einen Stern herum benennt den Abstand, der auf einem Planeten lebensfreundliche Bedingungen ermöglicht. Vor allem heißt das: Hier kann Wasser auch in flüssiger Form existieren, während es andernorts entweder sofort verdampft oder zu Eis gefriert. Bei unserer Sonne ist dies genau die Distanz, in der sich die Erde befindet. Näher an der Sonne ist es wie auf der Tagseite von Merkur und überall auf der Venus viel zu heiß, weiter draußen bei den äußeren Gasplaneten viel zu kalt. Wobei man hinzufügen muss: Erstens kommen die moderaten Temperaturen auf der Erde auch durch den natürlichen Treibhauseffekt zustande, ohne den es auf unserem Planeten durchschnittlich -18 Celsius kalt wäre. Zweitens stellt unser Nachbarplanet Mars einen Grenzfall am äußeren Rand der habitablen Zone dar, indem es dort auch zu Plus-Graden kommt. Drittens gibt es möglicherweise auch auf weit von der Sonne entfernten Welten wie einigen Monden von Jupiter und Saturn flüssiges Wasser – allerdings nur unter der Eiskruste jener Monde. Dort sorgt Wärme aus dem Innern dieser Himmelskörper dafür, dass das Wasser nicht gefriert. Sowohl der Mars als auch einige dieser Monde sind daher Gegenstand der Forschung – verbunden mit der faszinierenden Frage, ob es dort einmal Leben gab oder vielleicht sogar noch gibt. Hinweis: Zur habitablen Zone Experiment 1.4 10 Mitmach- DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 1. Die Erde im Überblick Zur Didaktik • Die Mitmach-Experimente 1.1 und 1.2 sollen ein grundsätzliches Verständnis der Kugelform der Erde vermitteln. • Sie sollen zudem logisches Denken fördern (auch durch die Experimente im Vergleich). 1.1 Mitmach-Experiment: Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit einem Schiff am Horizont Die Schülerinnen und Schüler haben gehört, dass die Erde eine Kugel ist. Aber können sie es auch nachempfinden und sogar selbst den Beweis führen? Mit diesem einfachen Experiment gelingt das. Den genauen Ablauf des Versuchs entnehmen Sie bitte dem Schülerblatt. Materialien • Styroporkugel oder Globus bzw. ein großer Ball • Styroporplatte oder Blatt Papier (möglichst DIN A3) • Styroporstück oder Korken als Schiff • Papier als Segel • Zahnstocher • Schere, Kleber DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. Tipp: Erläutern Sie den Schülerinnen und Schülern vorab die Aufgabenstellung und Versuchsanordnung, und lassen Sie die Kinder dann „Entdecker spielen. Anschließend werden die Beobachtungen gemeinsam besprochen. 11 1. Erde • 1.1 Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit einem Schiff am Horizont Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit einem Schiff am Horizont Ist die Erde eine Scheibe oder eine Kugel? Das kannst du herausfinden. Stell dir vor: Du stehst am Strand und blickst aufs Meer. Aus der Ferne kommt ein Schiff. Was siehst du? Mach den Versuch in zwei Durchgängen: Erst tust du so, als wäre die Erde eine Scheibe. Dann führst du das Experiment mit einer Kugel als Erde durch. Beobachte und vergleiche. Du brauchst: • eine Kugel aus Styropor oder einen Globus (ein großer Ball geht auch) • eine dünne Styroporplatte oder ein großes Blatt Papier • ein Schiffchen mit einem langen Mast (als Schiff kannst du ein Stück Styropor oder einen Korken nehmen und als Mast einen Zahnstocher mit einer Papierfahne oben dran) • Schere • Kleber (um die Fahne oben am „Mast zu befestigen) So gehst du vor: Teil 1 Stell dir vor, die Erde wäre eine Scheibe – wie das früher einige Menschen geglaubt haben. 1 Du schneidest aus der Styroporplatte oder dem Papier eine große kreisrunde Fläche aus und legst sie auf einen Tisch. Das ist die „Scheiben-Erde. 2 Du hockst dich so hin, dass du ganz flach über die Scheibe siehst – als ob du am Strand stehen würdest und über das Meer schaust. Ans andere Ende stellst du das gebastelte Schiff und bewegst es langsam auf dich zu. 3 12 Beobachte, ab wann du das Schiff siehst. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 1. Erde • 1.1 Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit einem Schiff am Horizont Teil 2 Jetzt machen wir den gleichen Versuch – aber mit der „Kugel-Erde. 1 Du legst die Kugel auf einen Tisch. Das ist die „Kugel-Erde. 2 Setz dich so hin, dass du nur eine Seite der „Erde sehen kannst – also nicht von oben darauf schauen. 3 Das Schiff mit dem Mast und der Fahne an der Spitze hältst du auf die Rückseite der „Erde. Dann bewegst du es langsam über die Kugel auf dich zu. 4 Beobachte wieder genau, ab wann du das Schiff sehen kannst und welchen Teil des Schiffes du zuerst siehst. Auswertung 1 Welche unterschiedlichen Beobachtungen hast du zwischen „Scheiben-Erde und „Kugel-Erde gemacht? 2 Woran können Menschen beim Blick über das Meer erkennen, dass die Erde eine Kugel ist? 3 Besprich deine Beobachtungen gemeinsam mit der Klasse. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 13 1. Die Erde im Überblick 1.2 Mitmach-Experiment: Die Erde – Kugel oder Scheibe? Das legendäre Experiment aus der Antike Materialien Hinweis: Dieses Experiment eignet sich eher für ältere Schülerinnen und Schüler. Grundlage ist das Experiment des griechischen Gelehrten Eratosthenes, der damit vor über 2000 Jahren den ungefähren Umfang der Erde berechnete. Seine Vorgehensweise war folgende: Er bemerkte, dass die Sonne im Süden Ägyptens (in Assuan) zur Sommersonnenwende am 21. Juni mittags keinen Schatten warf. Weiter im Norden des Landes (in Alexandria) warf ein großer Obelisk aber zur gleichen Zeit sehr wohl einen (wenn auch nur kurzen) Schatten. Daraus folgerte er, dass die Erdoberfläche gekrümmt sein müsse – und aus der Schattenlänge und der Entfernung der beiden Orte berechnete er den Umfang der Erde. Das Experiment stellt den historischen Versuch nach, indem der Schattenwurf von jeweils zwei Zahnstochern verglichen wird – einmal bei einer „Scheiben-Erde und einmal bei einer „KugelErde. Als Sonne dient eine Taschenlampe, die in mindestens (!) 50 cm Abstand genau über der Mitte des jeweiligen Erde-Modells platziert wird und es senkrecht von oben bescheint. Tipp: Wenn Sie zwei Taschenlampen zur Hand haben, können Sie beide Modelle parallel aufbauen und untersuchen. Die Taschenlampen kann man z. B. an einer Tischkante mit Klebeband befestigen und die Erde-Modelle darunter auf dem Boden platzieren. Hinweise: Sie können mithilfe der Vorlagen auf der CD-ROM zwei bedruckte Erde-Modelle herstellen. Sie können aber auch eine dünne Styroporscheibe für die „Scheiben-Erde und eine Styroporkugel für die „Kugel-Erde nehmen. Die Vorbereitungen dauern dann nur wenige Minuten. 14 • Styroporkugel für die „Kugel-Erde (12 cm Durchmesser) • dünne Styroporscheibe, kreisrund ausgeschnitten für die „Scheiben-Erde (ebenfalls 12 cm Durchmesser) • 4 Zahnstocher • Maßband oder Gliedermaßstab • Klebebandrolle, Glas o. Ä. (als Halter für die Kugel) • Schuhkarton o. Ä. (als Unterlage für die Styroporscheibe) • eine (besser zwei) helle Taschenlampe(n) • für die Alternative: Ausdrucke der Vorlagen von der CD-ROM (Ansicht auf Seite 16) sowie Klebstoff (Sprühkleber) Vorbereitung der unbedruckten Modelle „Scheiben-Erde: Stechen Sie zwei Zahnstocher jeweils senkrecht in die Styroporplatte, einen in der Mitte, einen 4 cm davon entfernt. Beide Zahnstocher müssen 2 cm aus der Platte herausragen. Der Schuhkarton kann dabei als Unterlage dienen. „Kugel-Erde: Stechen Sie den ersten Zahnstocher an einer beliebigen Stelle ein und den zweiten Zahnstocher 4 cm davon in Richtung eines Pols. Beide Zahnstocher müssen zum Mittelpunkt der Kugel zeigen (!) und wiederum je 2 cm aus der „Erde herausragen. Vorbereitung der bedruckten Modelle (Alternative) Hinweis: Der antike Versuch wurde der Klarheit wegen so abgewandelt, dass ein Zahnstocher in Afrika und der andere in Deutschland angebracht ist – also deutlich weiter im Norden. Wichtig ist, dass die Zahnstocher in beiden Erde-Modellen den identischen Abstand haben (Maßband) und die Lichtquelle (unsere „Sonne) immer genau über dem „afrikanischen Zahnstocher im Zenit positioniert wird. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 1. Die Erde im Überblick „Scheiben-Erde: Kleben Sie einen Farbausdruck der Vorlage (Ansicht auf Seite 16; Ausdruck von der CD-ROM) auf ein Stück Pappe (am besten wieder mit einer dünnen Styroporplatte darunter), und schneiden Sie alles aus. Stecken Sie beide Zahnstocher an den markierten Punkten senkrecht in die „ScheibenErde, bis sie jeweils 2 cm herausragen. „Kugel-Erde: Schneiden Sie einen Farbausdruck der Vorlage (Ansicht auf Seite 16; Ausdruck von der CDROM) entlang der Zacken exakt aus. Anschließend wird ein Ende des Ausdrucks mit einem kleinen Klebestreifen so an der Styroporkugel fixiert, dass sich der Schnitt an einer gedachten Äquatorlinie um die ganze Kugel wickeln lässt. Besprühen Sie zuerst nur den mittleren Teil des Streifens (ohne Zacken) auf der Rückseite mit Sprühkleber, und rollen Sie die Styroporkugel gerade darauf entlang. Danach werden auch die Zacken mit Sprühkleber besprüht und nacheinander auf die Kugel gelegt. Sollten sich zum Schluss die Enden der Zacken an den Polen überlagern, können sie mit einer Schere gekürzt werden. Durchführung Erläutern Sie im Plenum zunächst den Versuch. Dann richten Sie die Taschenlampe gerade nach unten aus. Jetzt stellen die Kinder mit der „Scheiben-Erde beginnend nacheinander die beiden Erde-Modelle unter die Lampe. Schatten auf der „Scheiben-Erde Zuerst wird die „Scheiben-Erde so unter der Lampe platziert, dass der „afrikanische Zahnstocher genau senkrecht unter der Lampe steht. Er darf keinen Schatten werfen. Jetzt wird der zweite Zahnstocher beobachtet. Er sollte ebenfalls keinen Schatten werfen. Tut er das doch, ist entweder die Lampe nicht weit genug entfernt oder der Zahnstocher nicht senkrecht eingesteckt. Schatten auf der „Kugel-Erde In die fertige „Kugel-Erde wird ein Zahnstocher senkrecht zur Kugeloberfläche gesteckt, also genau in Richtung des Kugelmittelpunkts zeigend. In der Kopiervorlage ist die Position dieses ersten Zahnstochers in Afrika mit einem schwarzen Punkt markiert. Lassen Sie diesen Zahnstocher 2 cm aus der Oberfläche herausragen. Dann stecken Sie den zweiten Zahnstocher am roten Punkt (Deutschland) ein. Auch er muss auf den Erdmittelpunkt deuten und 2 cm aus der Kugel herausragen. Die „KugelErde kann jetzt auf der Klebebandrolle (als Halter) abgestellt werden. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. Als nächstes wird die „Kugel-Erde so unter die Lampe gestellt, dass der Zahnstocher in Afrika keinen Schatten wirft. Dann wird wiederum der zweite Zahnstocher (Deutschland) betrachtet. Er wirft einen klar erkennbaren Schatten. 15 1. Die Erde im Überblick Erläuterung Wenn Licht aus einer ausreichend großen Entfernung (in der Realität 150 Millionen Kilometer, im Experiment mindestens 50 cm) kommt, kann man sagen: Die Lichtstrahlen treffen parallel auf die Erde. Bei einer „Scheiben-Erde wäre die Position des Zahnstochers dann egal, er würde nirgends einen Schatten werfen. Nur die Kugelform der Erde führt dazu, dass der zweite Zahnstocher zur Richtung der Strahlen geneigt ist und daher einen Schatten wirft. St ab Schatten 2. 1. Stab (zeigt zur Sonne) Abstand der Stäbe Anmerkung zur Berechnung des Erdumfangs: Ein Stab steht senkrecht zur Sonne, die sich im Zenit über ihm befindet. Der Winkel des zweiten Stabes (dessen Höhe bekannt ist) zu den Sonnenstrahlen und damit auch zum ersten Stab lässt sich aus der Länge des Schattens (graues Kreissegment) ermitteln. Wenn der Abstand der beiden Stäbe zueinander (rotes Kreissegment) bekannt ist, lässt sich daraus der volle Kreisumfang berechnen. Dies entspricht der Vorgehensweise von Eratosthenes (siehe Seite 9 und Seite 14). Hinweis: Beachten Sie beim Ausdrucken der Vorlagen für die „Scheiben-Erde und die „Kugel-Erde: Drucken Sie die Vorlagen nur von der CD-ROM in „Originalgröße (100 %) aus. Die „Kugel-Erde muss dann auf einem Farbkopierer von DIN A4 auf DIN A3 vergrößert werden. 16 DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 1. Erde • 1.2 Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit Zahnstochern Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit Zahnstochern Wenn Astronauten um die Erde fliegen, sehen sie, dass unser Planet eine Kugel ist. Aber woher wussten die Menschen das vor langer Zeit, als noch niemand in den Weltraum fliegen konnte? Ein kluger Mann namens Eratosthenes fand das vor über 2000 Jahren heraus. Er bemerkte, dass die Sonne in einer Stadt in Afrika mitten im Sommer überhaupt keinen Schatten warf – weil sie um die Mittagszeit hoch oben am Himmel stand. Das Seltsame dabei war: In einer anderen Stadt weiter im Norden, wo ein großer Pfahl auf einem Platz stand, sah man zur selben Zeit einen Schatten. Dafür konnte es nur eine Erklärung geben: Die Erde musste eine Kugel sein – und keine Scheibe. Warum das so ist, findest du bei diesem Experiment heraus – ähnlich wie der schlaue Gelehrte vor über 2000 Jahren. Die Sonne wird dabei durch eine Taschenlampe ersetzt. Und statt der großen Pfähle nehmen wir bei diesem Versuch Zahnstocher. Dazu brauchst du: • eine „Kugel-Erde mit zwei Zahnstochern (die eure Lehrerin oder euer Lehrer schon vorher in die „Erde gesteckt hat) • eine „Scheiben-Erde mit zwei Zahnstochern (zum Vergleich) • eine Taschenlampe (als Sonne) • eine Rolle Klebeband • Maßband oder Gliedermaßstab • einen Tisch DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 17 1. Erde • 1.2 Die Erde – Kugel oder Scheibe? Experiment mit Zahnstochern So gehst du vor: 1 Die Taschenlampe ist in diesem Versuch die Sonne. Befestige sie mit Klebeband an einer Tischkante, und zwar so, dass die Lampe ganz genau nach unten strahlt. Sie muss mindestens einen halben Meter (50 cm) über der „Erde sein. 2 Nimm als erstes die „Scheiben-Erde mit den beiden Zahnstochern. Stell die „Erde so unter die Lampe, dass der Zahnstocher in der Mitte keinen Schatten wirft – weil die „Sonne genau über ihm steht. 3 Jetzt beobachtest du den anderen Zahnstocher. Wirft er einen Schatten? 4 Anschließend nimmst du die „Kugel-Erde. Wieder muss sich der eine Zahnstocher genau unter der Lampe befinden, sodass er keinen Schatten wirft. 5 Beobachte wiederum den Schatten des anderen Zahnstochers. Gibt es einen Unterschied zur „Scheiben-Erde? 6 Besprich in der Klasse zusammen mit deiner Lehrerin oder deinem Lehrer, was du beobachtet hast und was das bedeutet. 18 DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 1. Die Erde im Überblick 1.3 Mitmach-Experiment: Die „Abplattung der Erde Die Erde ist nicht kugelrund, sondern leicht abgeplattet (siehe Seite 9). Verursacht wird dies durch die Rotation um die eigene Achse und die dadurch entstehende Zentrifugalkraft. In einem einfachen Versuch kann man das zeigen. Durchführung 1. Die Papierstreifen an den Enden lochen (siehe Bild), jeweils die Mitte zwischen den Löchern mit einem Lineal ausmessen und markieren. 2. Dann jeden Streifen einzeln zu einem Ring formen und so verkleben, dass die beiden Löcher eines Streifens jeweils übereinander liegen. 3. Nun beide Ringe ineinander schieben und dabei Loch auf Loch legen. Den Holzspieß durch die Lochung der beiden Ringe stecken und gegenüber bei den Markierungen durch das Papier stechen. 4. Die Ringe um 90 zueinander verdrehen (siehe Bilder) und auf der durchgestochenen Seite miteinander und mit dem Holzspieß verkleben. 5. Nach dem Trocknen den Spieß in einen Akkuschrauber einspannen und erst langsam, dann immer schneller in Drehung versetzen. Materialien • Holzspieß (ca. 12 cm lang) • 2 Streifen festeres Papier (120–160 g/m2, ca. 1,5 cm breit und lang wie eine DIN-A4-Seite) • Klebstoff • Locher • Lineal • Akkuschrauber Erläuterung Das Experiment zeigt sehr anschaulich, dass die Abplattung der Erde durch die Rotation und die dadurch entstehende Zentrifugalkraft (Fliehkraft) am Äquator entsteht. Hinweis: Da dieses Experiment aus Sicherheitsgründen nur von der Lehrkraft durchgeführt werden darf, gibt es hierzu kein Schülerblatt. Zu empfehlen ist die Vorführung im Plenum. Machen Sie den Kindern klar, dass der Effekt bei der Erde minimal ist (bei rund 12 000 Kilometern Durchmesser nur 42 Kilometer) und man die Erde verallgemeinert als Kugel betrachten kann. Zur Didaktik • Am Beispiel der Abplattung der Erde entwickeln die Kinder Verständnis für das physikalische Phänomen der Zentrifugalkraft. • Die Kinder lernen, wie man genau beobachtet und dann logische Schlussfolgerungen zieht. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 19 1. Die Erde im Überblick 1.4 Mitmach-Experiment: Die „habitable Zone Der richtige Abstand zur Sonne Die Erde hat genau den richtigen Abstand zur Sonne: nicht zu nah dran, wo es viel zu heiß ist, und nicht zu weit weg, wo es zu kalt ist. Nur in der sogenannten habitablen Zone kann Wasser in flüssiger Form existieren – eine wichtige Voraussetzung für Leben. Materialien • Rotlicht-Lampe (Infrarot-Lampe gegen Muskelverspannungen etc.) • mehrere Eiswürfel (in Kühltasche befördern und aufbewahren) • mehrere Flaschenkorken • Tisch • Auffangbehälter für das aufgetaute Wasser, z. B. Schraubglasdeckel • ggf. Gläser oder Ähnliches, um die Eiswürfel direkt vor der Lampe zu platzieren • Maßband oder Gliedermaßstab • Stromanschluss Durchführung 1. Die Rotlicht-Lampe wird in einem möglichst kühlen Raum (z. B. Keller) auf einen Tisch gestellt. In unterschiedlichen Abständen von der Lampe werden drei gleich große Eiswürfel jeweils auf einen Flaschenkorken (als Isolierung) platziert. 2. Nach Einschalten der Lampe beobachten die Kinder von Zeit zu Zeit (etwa über den Zeitraum von einer Stunde) den Verlauf des Experiments. 3. Wenn Sie den ersten Eiswürfel sehr nah an der Lampe positionieren, den zweiten ca. 20 cm und den dritten mind. 40 cm entfernt anbringen, zeigt sich: – ganz nah an der Sonne auf Merkur (1. Würfel) verdampft das Eis bzw. Wasser (zumindest teilweise), – auf der Erde (2. Würfel) gibt es flüssiges Wasser, – weiter von der Sonne entfernt (3. Würfel) bleibt es gefroren (ehe es durch die Umgebungstemperatur beim Experiment natürlich ebenfalls schmilzt). So können die Kinder anschaulich nachvollziehen, dass die „richtige Entfernung zur Sonne eine wichtige Bedingung für flüssiges Wasser ist. Tipp: Der Versuch und insbesondere die richtigen Abstände zur Lampe sind stark von der Raumtemperatur und anderen Faktoren (Wärmeleistung der Lampe, Eistemperatur, Eiswürfelgröße etc.) abhängig. Testen Sie daher den Versuch vorab an Ort und Stelle und platzieren Sie zunächst mehr als drei Eiswürfel entlang des Gliedermaßstabs. So sehen Sie, welche drei Eiswürfel am ehesten dem oben beschriebenen Ergebnis entsprechen. Nur an diesen drei Positionen werden anschließend beim Experiment Eiswürfel platziert. Dabei gilt: Nach ca. einer Stunde sollte der erste Eiswürfel geschmolzen und das Schmelzwasser verdampft sein, der zweite Würfel zu Wasser geschmolzen und der dritte noch gefroren sein. Zur Didaktik • Die Kinder lernen, dass die Entfernung der Erde zur Sonne ein wichtiges Kriterium für eine lebensfreundliche Umgebung auf unserem Planeten ist. • Das Experiment fördert die genaue Beobachtung und logisches Denken. 20 DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 2. Die Entwicklung der Erde 2. Die Entwicklung der Erde Hintergrund-Info Dass Sie diese Zeilen lesen können, ist nicht selbstverständlich. Es war ein langer Weg bis hierhin. Mehrere Sonnen mussten dafür explodieren und ein neuer Stern mit einigen Planeten entstehen. Einer dieser Planeten ist die Erde. Angefangen hat es vor etwas mehr als 4,5 Milliarden Jahren mit einer Wolke aus Gas- und Staubpartikeln. Sie verdichtete sich, vielleicht ausgelöst durch die Druckwelle eines explodierenden Sterns irgendwo in unserer kosmischen Nachbarschaft. Wasserstoffatome, Gasmoleküle und auch feste Teilchen klumpten aneinander, zogen weitere Materie an. Allmählich bildeten sich so unsere Sonne und die Planeten mit ihren Monden. Es blieben einige „Reste übrig, die wir als Asteroiden und Kometen bezeichnen. Eine wechselhafte Geschichte Der dritte dieser Planeten – von der Sonne her gesehen – war zunächst eine glühend heiße Kugel, wie die anderen jungen Himmelskörper um die Sonne herum auch. Erst über Jahrmillionen kühlte sich unsere Erde allmählich ab. In den folgenden ca. 4 Milliarden Jahren durchlief sie eine wechselhafte Geschichte. Besonders in der Frühzeit des Sonnensystems – bevor die einzelnen Himmelskörper ihre Bahnen „gefunden hatten – ging es recht chaotisch zu. Unzählige Brocken aus Eis und Gestein prasselten auf die junge Erde nieder. Einmal wurde sie von einem besonders großen Himmelskörper getroffen, der bei diesem „Streifschuss gigantische Massen aus der Erde schlug. Diese formten sich in der Umlaufbahn um die Erde erst zu einer Wolke aus pulverisiertem Gestein und dann zu jener Kugel, die wir heute als unseren Mond kennen (siehe Seite 83). Später bildete sich eine Lufthülle um die Erde herum. Doch die Zusammensetzung dieser Gase änderte sich mehrmals drastisch, bis sie schließlich eine auch für höher entwickelte Lebewesen verträgliche Mischung aus Stickstoff und Sauerstoff annahm. Hinweis: Zur Entwicklung der Erde Experiment 2.1 DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. Mitmach- 21 2. Die Entwicklung der Erde Auch die Temperaturen änderten sich immer wieder. Zwischenzeitlich war die Erde zu großen Teilen von Eis und Schnee überzogen. Es hätte vielleicht nicht mehr viel gefehlt, und sie wäre nie wieder aufgetaut. Denn je mehr Eis und Schnee die Erde bedecken, desto mehr Sonnenlicht wird von diesen hellen Regionen ins All reflektiert und desto mehr kühlt die Erde ab. Die Theorie vom „Schneeball Erde besagt, dass dieser Mechanismus ab einem gewissen „Vereisungsgrad unseres Planeten immer weiter eskalieren würde, bis hin zur Erde als einem ewigen Eisplaneten. Ob die Gefahr einer dauerhaften „Komplettvereisung je bestand – darüber gehen die Meinungen der Experten auseinander. Der seit Milliarden von Jahren aktive Vulkanismus verhinderte dies vermutlich. Heute haben wir es übrigens eher mit dem umgekehrten Phänomen zu tun: Infolge der globalen Erwärmung schmelzen Eis- und Schneemassen. Dadurch ersetzt vor allem am Nordpol dunkles Meerwasser die vormals hellen Regionen. Da dunkle Flächen mehr Energie aufnehmen und speichern, während helle Flächen sie ins All zurückstrahlen, könnte der Klimawandel so eine zusätzliche Dynamik erfahren. Hinweis: Zum Phänomen hell – dunkel (Reflexion – Absorption) Mitmach-Experiment 2.2 22 Spannend! Wir sind alle Sternenkinder Die Überreste eines explodierten Sterns. Aus solchen Gas- und Staubwolken bilden sich anschließend neue Sonnen. Bild: NASA, ESA J. Hester and A. Loll (Arizona State University) Die Atome, aus denen wir bestehen, waren einmal im Innern von Sonnen. Wie das? – Anfangs bestand das Universum – sehr vereinfacht dargestellt – nur aus Wasserstoff und Helium. Die schwereren Elemente bildeten sich erst im Innern der Sterne, wo sie unter enormem Druck und großer Hitze „gebacken wurden (es handelt sich dabei um Prozesse der Kernfusion, also der Verschmelzung von Atomkernen). Am Ende seiner „Lebenszeit setzt ein Stern diese in seinem Innern entstandene Materie frei – und zwar auf dramatische Weise: Wenn er all seinen Wasserstoff (den „Brennstoff aller Sterne) verbraucht hat, gerät das Kräftegleichgewicht in ihm aus der Balance, und der Stern kollabiert unter seiner eigenen Anziehungskraft. Diese Massekonzentration wiederum erhöht den Druck derart, dass es bei Sternen ab einer gewissen Größe zu einer gewaltigen Explosion kommt. Dabei werden Gas- und Staubpartikel in die Umgebung geschleudert, die sich anschließend über Jahrmillionen wieder anziehen und schließlich neue Sterne der nächsten Generation formen. Nach und nach entstehen dabei auch die chemischen Elemente, aus denen der menschliche Körper besteht. In gewisser Weise sind wir also alle „Sternenkinder. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 2. Die Entwicklung der Erde 2.1 Mitmach-Experiment: Der Zeitstrahl Eine Zeitreise vom Anfang der Erde bis heute Die Zeitspannen seit Entstehung der Erde sind gewaltig und auch für Erwachsene kaum vorstellbar. Die Umsetzung in Form eines Zeitstrahls hilft, die verschiedenen Ereignisse einzuordnen. Allerdings brauchen Sie dafür eine lange Strecke, da wir eine ungewöhnliche und für die Kinder sicher spannende Umsetzung vorschlagen, nämlich auf dem Sportplatz oder auf dem Schulhof, falls er groß genug ist. Denn für eine Darstellung von 4,6 Milliarden Jahren sollten Sie 46 Meter als Länge des Zeitstrahls wählen. Alternativ können Sie das auch als „Wandzeitung auf einer langen Papierrolle umsetzen (Zeitungsverlage geben solche Rollenreste oft gratis ab). Dann sollten Sie eine Papierfahne von 4,6 Meter Länge wählen und die unten gemachten Entfernungsangaben entsprechend verkleinern. Die unter dem Punkt „Meilensteine genannten Ereignisse (siehe Seite 24) werden an den entsprechenden Stellen des Zeitstrahls vermerkt, wobei die Kinder vorab „Zeittafeln zu wichtigen Ereignissen vorbereiten, die immer mit einem Kurztext (Überschrift) und einem gemalten Bild illustriert sind. Hinweis: Viele der „Meilensteine des nachfolgend beschriebenen Zeitstrahls stellen in Wirklichkeit langfristige Prozesse (Vulkanismus, Kontinentaldrift etc.) dar, die sich über Jahrmillionen erstreckten und noch andauern. Um sie dennoch wenigstens grob einordnen zu können, haben wir einige Anhaltspunkte gegeben und sie entsprechend auf dem Zeitstrahl verortet. Materialien • aufstellbare Fahnen oder andere gut sichtbare Markierungen • langes Maßband (Sportunterricht) und Kreide • Zeittafeln mit Überschriften (Ansicht auf Seite 26; Vorlagen zum Ausdrucken auf der CD-ROM), die verteilt und von den Kindern auf die jeweiligen Bilder geklebt werden • DIN-A3-Papier oder Pappe (für die von den Kindern vorab gemalten Bilder) • Mal-Utensilien, Schere und Kleber (für die Zeittafeln) 3. Jetzt geht es nach draußen – auf die Zeitreise! Markieren Sie eine 46 Meter lange Strecke (etwa mit Fahnen oder anderen sichtbaren Markierungen). Diese 46 Meter entsprechen 4,6 Milliarden Jahren. Es gilt also: 40 Meter 4 Milliarden Jahre 10 Meter 1 Milliarde Jahre 1 Meter 100 Millionen Jahre 1 Zentimeter 1 Million Jahre 1 Millimeter 100 000 Jahre 4. Starten Sie mit der „Entstehung der Erde, und gehen Sie chronologisch die Strecke ab. An den entsprechenden Positionen platzieren die Kinder ihre Zeittafeln zu den jeweiligen „Meilensteinen. Durchführung 1. Bereiten Sie das Mitmach-Experiment vor, indem Sie mit den Kindern die Entwicklungsgeschichte der Erde anhand der auf der nächsten Seite genannten Meilensteine besprechen. Auf der beigefügten CD-ROM finden Sie dazu auch eine mit Bildern illustrierte Powerpoint-Präsentation. 2. Verteilen Sie dann an die Kinder die Aufgabe, in kleinen Gruppen die Zeittafeln anzufertigen. Dabei malen die Kinder Symbolbilder zu den entsprechenden Überschriften („Entstehung der Erde, „Entstehung des Mondes etc.) auf ein größeres Stück Papier oder Pappe Karton (DIN A3). DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. Zur Didaktik • Der Zeitstrahl macht die Kinder mit der Entwicklungsgeschichte der Erde bekannt. • Die Kinder entwickeln ein naturwissenschaftlich geprägtes „Weltbild. • Das Mitmach-Experiment enthält einen fachübergreifenden Aspekt zum Kunstunterricht, da die Kinder gestalten und malen sollen. 23 2. Die Entwicklung der Erde Meilensteine Start – 46 Meter von „heute entfernt Vor ca. 4,6 Milliarden Jahren: Entstehung unseres Sonnensystems Die Sonne, das Sonnensystem und damit die Erde – genauer: die „Proto-Erde – entstehen aus einer Gas- und Staubwolke. Wenn man sehr genau sein will, kann man die Entstehung der Erde etwa 20 bis 50 Zentimeter von der Sonne entfernt markieren, denn es dauerte etwa 20 bis 50 Millionen Jahre, bis sich die Planeten gebildet hatten. 1 Meter vom Start – 45 Meter von „heute entfernt Vor ca. 4,5 Milliarden Jahren: Entstehung des Mondes Ein anderer Himmelskörper stößt mit der Erde zusammen und schlägt Material aus ihr heraus, das sich mit den Überresten des Einschlagskörpers zusammen zum Mond formt. 6 Meter vom Start – 40 Meter von „heute entfernt Vor ca. 4 Milliarden Jahren: Vulkane und Ozeane Vulkanismus und andere geologische Aktivitäten setzen ein. Wo die Gesteinskruste nicht zu heiß ist, entstehen die ersten Ozeane. Zu den Vulkanen gehören auch solche, die in der Tiefe der Meere brodeln, die sogenannten „Black Smoker. Sie könnten mit ihren besonderen Umgebungsbedingungen eine Rolle bei der Entstehung des Lebens gespielt haben. 8 bis 16 Meter vom Start – 38 bis 30 Meter von „heute entfernt Vor ca. 3,8 bis 3 Milliarden Jahren: Entstehung des Lebens Erste Einzeller entstehen. Über den genaueren Zeitraum besteht aus naturwissenschaftlicher Sicht ebenso Unklarheit wie über die Frage, wie genau sich das Leben bilden konnte. 26 Meter vom Start – 20 Meter von „heute entfernt Vor ca. 2 Milliarden Jahren: Immer mehr Sauerstoff in der Atmosphäre Die Atmosphäre wird immer mehr mit Sauerstoff angereichert, und zwar durch Bakterien und Algen. 41 Meter vom Start – noch 5 Meter bis „heute Vor ca. 500 Millionen Jahren: Viele Tier- und Pflanzenarten entwickeln sich Während weniger Jahrmillionen entstehen viele Tierarten – man nennt dies die „kambrische Explosion, 24 die eine Folge der erhöhten Sauerstoffkonzentration ist. Im Gegenzug wird der Atmosphäre zugleich viel Kohlenstoff aus dem Kohlenstoffdioxid entzogen und in den Kalk-Skeletten von Billionen Kleinstlebewesen „eingebaut. Durch den Stoffwechsel der Pflanzen, die Photosynthese, gelangt weiterer Sauerstoff in die Atmosphäre. 45 Meter vom Start – noch 1 Meter bis „heute Vor ca. 100 Millionen Jahren: Die Kontinente „wandern über die Erde Der große Urkontinent „Pangäa bricht auseinander, Afrika und Südamerika trennen sich. 45 Meter und 35 Zentimeter vom Start – nur noch 65 Zentimeter bis „heute Vor ca. 65 Millionen Jahren: Die Dinosaurier sterben aus Ein über 10 Kilometer großer Asteroid trifft die Erde. Der Einschlag führt in der weiteren Umgebung zu verheerenden Katastrophen (Stürme durch Druckwellen, Brände, Tsunamis). Die Wolke aus Staub und Asche umhüllt für viele Jahre die ganze Erde und sorgt für eine globale Abkühlung. Die Saurier und viele andere Arten sterben aus. (Auch starker Vulkanismus wird von einigen Wissenschaftlern für das Artensterben verantwortlich gemacht.) Nun erobern die Säugetiere das Land: zunächst mausgroße Nagetiere, dann auch größere Vierbeiner. 45 Meter und 90 bis 97 Zentimeter vom Start – nur noch 10 bis 3 Zentimeter bis „heute Vor ca. 10 bis 3 Millionen Jahren: Erste Vor- und Frühmenschen Erste Vor- und Frühmenschen entwickeln sich im Zuge der Evolution: Berühmte Funde sind u. a. das Skelett von „Lucy (3,2 Millionen Jahre alt) in Äthiopien und die Fußspuren von Laetoli (Tansania), die sich in erkaltetem Lavagestein erhalten haben und einen „aufrechten Gang anzeigen. 45 Meter, 99 Zentimeter und 9 Millimeter vom Start – nur noch 1 Millimeter bis „heute Vor ca. 100 000 Jahren: Erste Menschen Der „Homo Sapiens, der moderne Mensch, ist da. Am Ende des Zeitstrahls sind Sie – nach einer hoffentlich spannenden Zeitreise – mit den Kindern in der Gegenwart angekommen. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 2. Erde • 2.1 Eine Zeitreise vom Anfang der Erde bis heute Eine Zeitreise vom Anfang der Erde bis heute Heute geht ihr auf Zeitreise! Ihr saust durch die Zeit – von der Entstehung der Erde bis in unsere heutige Zeit, die Gegenwart. Auf dem Schulhof markiert ihr dazu mit Kreide eine 46 Meter lange Linie. Das ist der Zeitstrahl. Am einen Ende ist die Vergangenheit: Da ist vor sehr langer Zeit, nämlich vor 4,6 Milliarden Jahren, die Erde entstanden. Hier beginnt eure Reise. Am anderen Ende des Zeitstrahls, in der Gegenwart, liegt das Ziel eurer Reise. Was ist dazwischen alles passiert? Und wann? Wann sind zum Beispiel die Dinosaurier ausgestorben? Mithilfe eurer Lehrerin oder eures Lehrers findet ihr das heraus. Und so gehts: 1 Zuerst malt ihr zu jedem Ereignis im Zeitstrahl ein großes Bild. Welche Ereignisse das sind, sagt euch die Lehrerin oder der Lehrer. Jedes Bild erhält eine Überschrift, zum Beispiel „Entstehung der Erde oder „Entstehung des Mondes. Auch hier sagt euch eure Lehrerin oder euer Lehrer, welche Texte zu euren Bildern passen. 2 Wenn alle Bilder gemalt sind und ihr die passenden Texte aufgeklebt habt, geht ihr nach draußen auf den Schulhof. Mit einem Maßband messt ihr die Strecke ab – genau 46 Meter lang – und malt mit Kreide von Anfang bis Ende einen langen Strich auf den Boden. 3 Auf euren Zeittafeln steht, wo sie auf dem Zeitstrahl hingehören. Fangt in der Vergangenheit an und legt die Zeittafeln nacheinander in der richtigen zeitlichen Abfolge auf den Zeitstrahl. Ihr werdet staunen, wie lange es die Erde schon gibt – und wie kurz die Zeit ist, seit Menschen auf unserem Planeten leben. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 25 2. Die Entwicklung der Erde Vorlagen für die Zeittafeln Start Entstehung unseres Sonnensystems 1 Meter vom Start Entstehung des Mondes 6 Meter vom Start Vulkane und Ozeane 8 bis 16 Meter vom Start Entstehung des Lebens 26 Meter vom Start Immer mehr Sauerstoff in der Atmosphäre 41 Meter vom Start – also noch 5 Meter von „heute entfernt Viele Tier- und Pflanzenarten entwickeln sich 45 Meter vom Start – also noch 1 Meter von „heute entfernt Die Kontinente „wandern über die Erde 45 Meter und 35 Zentimeter vom Start – also 65 Zentimeter von „heute entfernt Die Dinosaurier sterben aus 45 Meter und 90 bis 97 Zentimeter vom Start – also noch 10 bis 3 Zentimeter von „heute entfernt Erste Vor- und Frühmenschen 45 Meter, 99 Zentimeter und 9 Millimeter vom Start – also nur 1 Millimeter von „heute entfernt Erste Menschen 26 DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 2. Die Entwicklung der Erde 2.2 Mitmach-Experiment: hell und dunkel – kalt und warm Helle Flächen wie die polaren Eis- und Schneemassen reflektieren das Sonnenlicht besser als dunkle Regionen wie die Meeresoberflächen. Dieser Effekt könnte zu einer Beschleunigung des Klimawandels führen, denn im Zuge der globalen Erwärmung wird helles Eis durch dunkleres Wasser ersetzt. Dadurch nimmt die Erde noch mehr Wärme auf, statt sie ins All abzustrahlen. Um den Effekt, der diesem Prozess zugrunde liegt, geht es bei diesem einfachen MitmachExperiment. Durchführung Die beiden Plastikflaschen – eine außen schwarz, die andere weiß angemalt – werden mit Wasser gleicher Temperatur gefüllt und auf die Fensterbank in die Sonne gestellt. Nach ca. einer halben Stunde wird die Temperatur gemessen. Die Kinder erkennen: Das Wasser in der schwarzen Flasche ist wärmer als das Wasser in der weißen Flasche. Sie schließen daraus: Eine dunkle Fläche (Meer) nimmt Wärme auf, eine weiße Fläche (Eis und Schnee) reflektiert das meiste Sonnenlicht. Ältere Schülerinnen und Schüler verstehen auch: Wenn das Eis der Pole schmilzt und zu Wasser wird (einer dunkleren Fläche), so wird auch weniger Sonnenstrahlung reflektiert. Die Erwärmung beschleunigt sich zusätzlich. Die Erde – gesehen aus dem All mit Blick auf die nördliche Halbkugel. Deutlich erkennt man die hellen Eis- und Schneeregionen und das dunkle Wasser. Bild: DLR NASA (Terra) Materialien • zwei 1-Liter-Flaschen (durchsichtige PETFlaschen, keine Glasflaschen) • schwarze und weiße Dispersionsfarbe • Pinsel • Thermometer • Wasser • Uhr Zur Didaktik • Die Kinder entwickeln ein erstes Vorverständnis für physikalische Phänomene und Zusammenhänge. • Je nach Alter kann eine erste (behutsame) Problematisierung des Themas Klimawandel erfolgen. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 27 2. Erde • 2.2 Der Flaschen-Test: hell und dunkel – kalt und warm Der Flaschen-Test: hell und dunkel – kalt und warm Schau dir das Bild der Erde genau an. Du erkennst bestimmt, dass es helle und dunkle Gebiete gibt. Hell sind Eis und Schnee, dunkel ist das Wasser der Meere. Wenn die Sonne auf die Erde scheint, passiert etwas Erstaunliches: Helle Gebiete wirken wie ein Spiegel. Sie werfen das Licht der Sonne zurück in den Weltraum, als ob du mit einem kleinen Spiegel das Sonnenlicht gegen eine Wand „wirfst. Dunkle Gebiete können das nicht. Sie strahlen kaum Sonnenlicht zurück, sondern „saugen Licht und Wärme auf und speichern sie. Das kannst du mit einem einfachen Experiment beweisen. Du brauchst dafür: 28 • 2 Plastikflaschen voll Wasser • schwarze und weiße Dispersionsfarbe • Pinsel • Thermometer • Uhr DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 2. Erde • 2.2 Der Flaschen-Test: hell und dunkel – kalt und warm Und so geht es: 1 Male eine Flasche weiß und die andere schwarz an. Dann füllst du sie bis oben mit Wasser. Achte darauf, dass das Wasser in beiden Flaschen die gleiche Temperatur hat. 2 Stelle beide Flaschen im Zimmer auf die Fensterbank in die Sonne. Achtung: Die Sonne muss wirklich hell scheinen und die Flaschen dürfen nicht im Schatten stehen. 3 Nach einer halben Stunde (30 Minuten) prüfst du die Temperatur, am besten mit einem Thermometer. Du kannst die Temperatur aber auch einfach mit der Hand fühlen. 4 Bemerkst du einen Unterschied bei den beiden Flaschen? Welche ist wärmer? Besprich deine Ergebnisse gemeinsam mit der Klasse. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 29 3. Der Aufbau der Erde 3. Der Aufbau der Erde Erdkruste ca. 35 km oberer Mantel ca. 650 km unterer Mantel ca. 2200 km äußerer Kern ca. 2240 km innerer Kern ca. 1245 km (Radius) Schichtenaufbau der Erde Hintergrund-Info Eine „virtuelle Bohrung in die Erde Was würden wir entdecken, wenn wir zehn, 100 oder gar 1000 Kilometer tief in die Erde bohren könnten – oder gleich einmal durch die ganze Erde hindurch? Beginnen wir von außen nach innen: Die feste Erdoberfläche wird auch als Erdkruste bezeichnet. Sie ist nicht sehr dick. Die Ozeanböden sind etwa 5 bis 10 Kilometer mächtig, an manchen Stellen etwas dicker. Die Kruste der Kontinente ist im Durchschnitt 35 Kilometer dick. Haben sich hohe Gebirge auf ihr gebildet, kann sie bis zu 75 Kilometer umfassen. Im Verhältnis zum Gesamtdurchmesser der Erde von rund 12 000 Kilometern ist der „feste Boden unter unseren Füßen also hauchdünn. Und an manchen Stellen bricht er auf, sodass dort Vulkane glühende Lava aus dem Erdinnern auswerfen können. Auf unserer gedanklichen Reise ins Innere der Erde müssen wir uns also zuerst durch diese Kruste aus Sedimentgestein, hauptsächlich aber durch Granit und Basalt, in die Tiefe arbeiten. Auch durch sogenannte „Metamorphite (dies sind durch hohen Druck und hohe Temperaturen „veränderte Gesteine wie etwa Gneis, der aus Granit oder Sandstein hervorgegangen 30 DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. 3. Der Aufbau der Erde ist) muss man bohren. Haben wir die Erdkruste durchstoßen, trifft man darunter auf den Erdmantel, der sich in mehrere Abschnitte untergliedert. Im oberen Erdmantel ist es um die 600 Celsius heiß. Je weiter wir in den knapp 3000 Kilometer dicken Erdmantel eindringen, umso heißer wird es. Tief im unteren Erdmantel sind es weit über 2000 Celsius. Rund 3000 Kilometer haben wir uns bereits in die Erde hineingebohrt, und ungefähr die gleiche Strecke liegt noch vor uns, bis der Mittelpunkt der Erde erreicht wird. Nun kommt kein Gestein mehr, sondern der aus Metallen bestehende Erdkern. Der äußere Erdkern ist flüssig. Der innere Kern ist trotz der Hitze nicht geschmolzen, sondern durch den enormen Druck fest; er besteht aus Eisen (80 %) und Nickel (20 %). Ein Kubikzentimeter wiegt hier 11 Gramm – leichte Gesteine oben auf der Erdkruste bringen es dagegen lediglich auf rund 3 Gramm. Dadurch macht der Erdkern bei nur einem Sechstel des Volumens unseres gesamten „Weltballs ein Drittel seiner Masse aus. Hinweis: Zum Schichtenaufbau Experimente 3.1 und 3.2 Spannend! Die Kartoffel-Erde Schwerefeld-Modell der Erde in stark übertriebener Form. Bild: GFZ (A. Helm) Mitmach- Die Kontinente „wandern Die Erdoberfläche ist keine feste Schale, sondern sie besteht aus einzelnen Segmenten, die vereinfacht gesagt auf einem zähen Brei „schwimmen – wie Eisschollen auf dem Meer. Tatsächlich bewegen sich diese Platten, werden auseinandergezerrt und gegeneinander geschoben. Der zugrunde liegende Mechanismus heißt Plattentektonik. Erd- und Seebeben einschließlich Tsunamis haben darin ihre Ursache, etwa wenn Platten aneinanderstoßen, sich verhaken und dann ruckartig lösen oder wenn sie übereinander geschoben werden. Auch die Auffaltung von Gebirgen ist Ergebnis dieses dynamischen Prozesses auf der Erde. Er sorgt außerdem dafür, dass immer wieder frisches Material aus den Tiefen an die Oberfläche gelangt. Gleichzeitig bewirken die mit der Plattentektonik verknüpften Prozesse, dass die enorme Wärme aus der Tiefe der Erde wie durch Ventile nach außen abgeführt wird – und zwar durch die Vulkane auf der Erdoberfläche bzw. die vulkanischen Spalten in den Ozeanen. Den Prozess der Plattentektonik gibt es auf keinem anderen Planeten oder Mond im Sonnensystem. Viele Wissenschaftler vermuten inzwischen, dass seine ausgleichende Wirkung eine weitere wichtige Voraussetzung für die Entstehung von Leben war. DLR, 2014. Als Kopiervorlage freigegeben. Im Erdmantel ist die Materie nicht gleichmäßig verteilt. Das hat zur Folge, dass in manchen Bereichen mehr Masse vorhanden ist als in anderen. Diese Masseunterschiede führen zu einer unterschiedlich starken Anziehungskraft an der Erdoberfläche, mit bizarren Folgen: So zieht die Erde das Meer an manchen Stellen stärker an. Das hat den Effekt, dass die Wasseroberfläche in einigen Bereichen der Weltmeere über hunderte Kilometer hinweg leichte (nicht sichtbare) „Dellen aufweist und andernorts „Wasserberge entstehen. Selbst Satelliten, die in großer Höhe die Erde umkreisen, werden von unserem Planeten mal stärker und mal schwächer angezogen. Der Effekt ist nur minimal, aber messbar. Übertrieben gesagt ist die Umlaufbahn eines Satelliten eine Achterbahn – rauf und runter! Weil man die Bahn von Satelliten mit ihrem „Auf und „Ab präzise vermessen hat, konnte man so auch die Variationen im Schwerefeld der Erde genau nachweisen. Daraus entstand diese Abbildung, die die Erde wie eine „Kartoffel darstellt – allerdings wirklich nur in vielfacher Überhöhung. 31 3. Der Aufbau der Erde Es war der deutsche Wissenschaftler Alfred Wegener (1880 –1930), der – von vielen Fachleuten heftig kritisiert – im Jahre 1911 als erster die umfassende Theorie der Kontinentaldrift und Plattentektonik aufstellte. Die verschiedenen Platten der Erdkruste bewegen sich dabei mit mehreren Zentimetern pro Jahr aufeinander zu bzw. voneinander weg. Amerika und Europa driften beispielsweise mit 1,89 Zentimetern pro Jahr auseinander. Die indische Platte schiebt sich seit rund 50 Millionen Jahren mit jährlich 20 Zentimetern nach Norden und faltete so den Himalaya auf (sie ist viel schneller als die meisten anderen Kontinentalplatten, weil sie dünner und deshalb viel leichter ist als beispielsweise die eurasische Platte). Alfred Wegener. Bild: Wikipedia Hinweis: Zur Kontinentaldrift Mitmach-Experiment 3.3 Hinweis: Zum Magnetfeld Experiment 3.4 Mitmach- Das Magnetfeld Die Pole der Erde Alle Prozesse im Innern der Erde sind im wahrsten Sinne im Fluss: Im äußeren Erdkern steigt flüssigheißes Metall – eine Mischung aus Nickel und Eisen Folgende Anmerkungen zu den Polen der Erde: Polarlichter, gesehen von Astronauten aus der Erdumlaufbahn. Sie entstehen, wenn elektrisch geladene Teilchen, die die Sonne aussendet, auf die Atmosphäre treffen und die Luftmoleküle „zum Leuchten bringen. In den höheren nördlichen und südlichen Breiten reicht das Magnetfeld nicht über unsere Lufthülle hinaus, sodass Polarlichter dort häufig zu sehen sind. Bild: NASA 32 mit ein wenig darin gelöstem Schwefel und Sauerstoff – nach oben, um danach wieder in die Tiefe abzusinken. Durch die Drehung der Erde wirken zusätzliche Kräfte (die „Corioliskraft, benannt nach dem französischen Wissenschaftler, der sie 1835 entdeckte), was zu Verwirbelungen und „schraubenförmigen Verdrehungen der Metallströme führt. Dadurch wird ein elektrischer Strom induziert. Da der metallische, elektrisch leitende äußere Erdkern in Bewegung ist, wird ein Magnetfeld erzeugt. Man nennt das auch den „Geo-Dynamo. Die Magnetfeldlinien treten in der Nähe des geografischen Südpols aus dem Innern unseres Planeten, reichen weit ins All hinaus und führen in der Nähe des Nordpols wieder in die Erde hinein. Dieses Magnetfeld ist ein weiterer Faktor, der Leben auf der Erde erst ermöglicht hat und es schützt, denn es bewahrt uns vor dem Sonnenwind – einem permanenten Beschuss mit elektrisch geladenen Teilchen von der Sonne. • Die