BP:Mondphasen
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
In diesem Projekt soll ein Mondphasenmodell mit Kamera gebaut werden. Dadurch wird die Ansicht der Konstellation der Himmelskörper, so wie die Ansicht aus Sicht der Erde ermöglicht. Die Rotation des Mondes kann über einen Computer gesteuert werden. Dieses Experiment stellt eine Erweiterung des klassischen Mondphasen-Experiments dar.
Benötigtes Material
- Styroporkugel als Mond (Durchmesser 2,5 cm)
- teilbare Acrylkugel als Erde (Durchmesser 10 cm)
- ausgedruckte Globussegmente
- Fotolicht als Sonne
- GoPro
- Breadboard
- Rotation Stage
- Motor Controller
- Computer mit APT Software
- Tablet mit GoPro Quik App
- Rotating Breadboard (Durchmesser 30 cm)
- Optical Rail (Länge 30cm)
- zwei Posts
- dünne Stange + schwarzer Strohhalm
- Bohrmaschine, Klebstoff
- Pappe
- Schwarzer Fotokarton (3 Bögen)
- schwarzer Stoff
- Stativmaterial (drei Stangen, drei Muffen und zwei Füße)
Versuchsaufbau
- Schritt 1
- Zunächst werden die "Himmelskörper" vorbereitet. Dafür wird in die Acrylkugel ein Loch gebohrt für die spätere Montage und die Kugel mit Globussegmenten eingekleidet. Hierbei muss eine Aussparung gelassen werden an der Stelle, an der später die Linse der GoPro sitzen wird. Die Styroporkugel für den Mond kann grau angemalt werden. Für die Sonne wird ein Fotolicht verwendet.
- Schritt 2
- Auf ein Breadboard wird die Rotation Stage und darauf das Rotation Breadboard geschraubt. Darauf wird ein Optical Rail befestigt, auf das mit Hilfe eines Posts und einer dünnen Stange + schwarzem Strohhalm das Mondmodell angebracht wird. In die Mitte des Rotation Breadboards wird mit einem Post das Erdmodell geschraubt.
- Schritt 3
- Als Kamera wird eine GoPro verwendet. Diese wird in das Erdmodell gestellt, dabei kann ein kleines Podest aus Pappe für die richtige Positionierung helfen. Über die GoPro Quik App auf einem Tablet/ Smartphone kann die Ansicht der GoPro per Livestream verfolgt werden. Es empfiehlt sich, einen festen ISO Wert einzustellen (z.B. ISO 400), damit die GoPro nicht ständig automatisch die Helligkeit nachregelt.
- Schritt 4
- Die Rotation Stage wird per Kabel mit dem Motor Controller verbunden und dieser über USB mit einem PC/ Laptop. Über die APT Software kann der Motor gesteuert werden. Dafür muss zunächst in APT Config der richtige Controller und die Stage ausgewählt werden und anschließend kann in APT User darauf zugegriffen werden. In APT User können Positionen eingegeben werden, zu denen sich das Mondmodell drehen soll (hierbei handelt es sich um eine programmeigene Einheit und keine Gradzahlen!) und außerdem die Drehgeschwindigkeit variiert werden.
- Schritt 5
- Um die Mondphasen gut beobachten zu können, sollte es möglichst dunkel sein. Mit Hilfe von Stativen können schwarze Plakate und/ oder schwarzer Stoff halbkreisförmig um den Aufbau aufgestellt werden. Somit ist der Hintergrund zwar abgedunkelt, auf das Modell kann aber trotzdem noch von oben oder von der Seite geblickt werden.
Auswertung
In der Kategorie Video ist ein Video zu finden, das zeitgleich beide Ansichten des Mondmodells zeigt. Dort ist ein ganzer Umlauf des Monds um die Erde zu sehen, wodurch alle Mondphasen einmal vorkommen.
Probleme und ihre Lösungen
- Das Modell hat Grenzen. In Realität ist der Mond weiter von der Erde entfernt und die Sonne natürlich noch weiter. Dies ist jedoch im Modell nicht umzusetzen. Darauf muss eingegangen werden, wenn das Modell verwendet wird.
- Die meisten Schwierigkeiten traten bei den verwendeten Geräten und Software auf. Hier muss darauf geachtet werden, dass Bauteile einheitlich sind (metrische Gewinde) und der korrekte Motor Controller für die passende Stage genommen wird. Für die APT Software sollte man sich an die Thorlabs Anleitung halten.
- Die GoPro wird sehr heiß, wenn sie für eine längere Zeit betrieben wird und verbraucht viel Akku. Soll das Modell also länger am Stück verwendet werden, muss hier auf eine alternative Kamera ausgewichen werden.
- Der Mond hat im Modell eine konstante Höhe gegenüber der Erde. Es wird also bei Vollmond entweder nie oder immer zu einer Mondfinsternis kommen. Dieses Problem könnte evtl. durch einen zusätzlichen winkelverstellbaren Ring in der Basis behoben werden.
- Das Fotolicht sorgt für eine breite Beleuchtung und garantiert dadurch, dass der Mond in allen Phasen belichtet wird. Jedoch folgt hieraus, dass es im Modell zu keiner Sonnenfinsternis kommen kann. Dies könnte evtl. durch eine andere Lichtquelle und Variation der Abstände verbessert werden.
Einsatz in der Schule
- Bildungsplan
Die Mondphasen werden in Klasse 7/8 im Bereich der Optik behandelt. Speziell unter 3.2.2 (6) heißt es "die Schülerinnen und Schüler können optische Phänomene im Weltall erklären (Mondphasen, Sonnenfinsternis, Mondfinsternis)"
- Vorwissen der Schüler
Um die Mondphasen zu verstehen, benötigen die Schüllerinnen und Schüler ein Grundverständniss des Sehvorgangs, der Lichtausbreitung und des Schattens.
- Fehlvorstellungen
- „Schatten – eine Substanz, die aus Körpern ausströmt.“ Schatten wird oft nur in einem Zusammenhang mit einem Objekt gesehen, das diesen Schatten wirft, anstatt als Abwesendheit von Licht. Bei Neumond ist der Mond jedoch nicht dunkel, weil er sich im Schatten eines anderen Himmelskörpers befindet, sondern weil nur die unbeleuchtete Seite von der Erde aus sichtbar ist.
- "Die Mondphasen entsehen durch den Erdschatten." Diese Vorstellung kann mit dem oben beschriebenen Modell sehr leicht ausgeräumt werden. Durch eine kleine Abwandlung des Modells, in dem man den Mond tiefer anbringt, kann gezeigt werden, dass es zu einer Mondfinsternis kommt, wenn sich der Mond durch den Erdschatten bewegt.
Video
Fotos
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Aufbau des Mondphasenmodells.
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Innenansicht des Mondphasenmodells.
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Softwareansicht APT Config.
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Bedienfeld des Motor Controllers in APT User.
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Einstellungen für den Motor Controller in APT User.
Literatur
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0