EXP:Entstehung der Mondphasen
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
Mit diesem Experiment soll zunächst die Entstehung der acht Mondphasen und danach die Entstehung von Mond- und Sonnenfinsternis gezeigt werden. Um die Mondphasen aus der Perspektive der Erde noch besser beobachten zu können kann in die Erde selbst eine Kamera eingebaut werden. Dies wurde hier umgesetzt.
Theoretische Zusammenfassung
Innerhalb eines Zyklus von 29,53 Tagen umrundet der Mond die Erde. Dabei wird der Mond von der Sonne beleuchtet. Von der Erde aus betrachtet nehmen wir diese Beleuchtung je nach den Positionen von Sonne, Mond und Erde anders wahr. Diese unterschiedliche Wahrnehmung lässt sich innerhalb des gesamten Zyklus in 8 sogenannte Mondphasen
unterteilen.
Dabei wird die erste Mondphase als Neumond
bezeichnet. Dabei steht der Mond zwischen der Sonne und der Erde. In der fünften Phase steht dann der Mond hinter der Erde und wird dabei von der Sonne bestrahlt. Diese Phase wird Vollmond
genannt. In den Positionen 2, 3 und 4 befinden sich dann nacheinander der zunehmende Sichelmond, Halbmond und Dreiviertelmond. Und in den Positionen 6, 7 und 8 dann analog der abnehmende Dreiviertelmond, Halbmond und Sichelmond.
Um eine Mondfinsternis zu erreichen muss sich der Mond von der Sonne aus gesehen hinter der Erde im Schatten der Erde befinden. Dies findet zur Mondphase des Vollmondes statt. Da es sich bei der Sonne im Vergleich zur Erde und zum Mond um eine ausgedehnte Lichtquelle handelt kann sich der Mond sowohl im Kern- als auch im Halbschattenschaum der Erde befinden.
Bei der Sonnenfinsternis befindet sich der Mond zwischen der Sonne und der Erde. Er befindet sich also in der Neumond-Phase. Der Schatten den Mondes fällt dann auf die Erdoberfläche. Auch hier ist auf der Erdoberfläche ein Kern- und ein Halbschattenbild zu erkennen.
| Klassenstufe | Klasse 7/8 |
|---|---|
| Kategorie | Optik |
| Einordnung in den Bildungsplan von BW | Abschnitt 3.2.2 (6) |
Didaktischer Rahmen
Fachdidaktische Zielsetzung
Die Phänomene, die so in der Natur beobachtet werden können sollen hier noch einmal gezeigt werden. Anhand der Experimente können die Phänomene dann genauer untersucht werden.
Nötige Vorkenntnisse
Aus dem Themengebiet der Optik müssen die SuS den Sehvorgang beschreiben können und das Lichtstrahlenmodell verstanden haben. Ihnen müssen aus den Stunden davor die Begriffe Schattenraum
, Schattenbild
, Kernschatten
und Halbschatten
bekannt sein. Die Konstruktion von Schattenräumen und Schattenbildern mithilfe des Lichtstrahlenmodells muss verstanden worden sein.
Mögliche Schülerschwierigkeiten
- Die größte Schwierigkeit für die Sch¨ulerinnen und Schüler (SuS) wird es hier sein sich die Situation räumlich vorstellen zu können. Dabei kann eine Simulation, Bilder oder ein größeres Demonstrationsexperiment helfen.
- Die einzelnen Mondphasen lassen sich außerdem nur aus der richtigen Perspektive korrekt beobachten. Die SuS sollten deshalb die Möglichkeit besitzen um das Experiment herum zu laufen. Alternativ kann eine Kamera verwendet werden um den richtigen Blickwinkel zeigen zu können.
- Da es im Klassenzimmer nie ganz dunkel sein wird und Licht von anderen Gegenständen gestreut wird, sind die Kanten der Mondphasen auf der Mondkugel nicht scharf zu erkennen. Diese müssen deutlich hervorgehoben werden.
Schülervorstellungen, die hier relevant werden
Eine der hier zentralen Vorstellungen ist die des sog. aktiven Auges. Dabei gehen die Schülerinnen und Schüler davon aus, dass man auch ohne Lichtquelle etwas sehen kann. Sie gehen davon aus, dass nur das Auge alleine für das Sehen verantwortlich ist. Es muss deshalb auf eine korrekte Formulierung des Sehvorgangs und der Beobachtungen geachtet werden [1].
Versuchsanleitung
Benötigtes Material
- Erdkugelmodell (hier mit einem Durchmesser von 10,67 cm)
- Kleine Kugel als Mond (hier mit einem Durchmesser von 3 cm)
- 2 Experimentierleuchten mit Netzgerät bzw. eine ausgedehnte Lichtquelle
- Schirm
- Stativmaterial
Hinweise:
- Erddurchmesser: 12 742 km. Das entspricht bei einem Durchmesser des Kugelmodels von 10,67 cm einem Maßstab von . Damit muss das Mondmodell mit einem Monddurchmesser von 3 474,2 km einen Durchmesser von 2,91 cm haben.
- Um im Verhältnis den korrekten Abstand zwischen Erde und Mond einhalten zu können müssten Erde und Mond hier einen Abstand von 3,22 m von einander haben.
- Die Sonne hätte im Vergleich einen Durchmesser von 11,66 m und einen mittleren Abstand zur Erde von 1,253 km.
Versuchsaufbau
- Schritt 1
- Für einen homogenen Hintergrund können schwarze Tücher aufgehängt bzw. ausgelegt werden.
- Schritt 2
- Schraube die erste Stativstange in den Standfuß. Befestige daran mit einer Doppelmuffe die zweite Stativstange, an welcher der Befestigungshaken für den Mond montiert ist.
- Schritt 3
- Positioniere die Erde neben dem Standfuß.
- Schritt 4
- Platziere die
Sonne
in angemessenem Abstand zur Erde (hier: ca. 1 m). Achte darauf, das hinter der Erde ein Kern- und ein Halbschatten erkannbar sind.
- Schritt 5
- Hänge den Mond an dem Haken auf. Achte darauf, dass er sich in einer Höhe befindet, in welcher er sich zunächst nie im (Kern-)Schatten der Erde befindet.
- Schritt 6
- Für die Demonstration des Zustandekommens von Mond- und Sonnenfinsternissen, wird der Mond soweit abgesenkt, dass er sich hinter der Erde im Kernschatten befindet, bzw. vor der Erde einen klar erkannbaren Schatten auf diese wirft.
- Schritt 7
- Um den Kernschatten der Erde sichtbar zu machen, kann ein Schirm hinter der Erde platziert werden.
Versuchsdurchführung
Um die einzelnen Mondphasen zeigen zu können muss nun nur die Position der Mondkugel verändert werden.
Auswertung
Entstehung der Mondphasen
Der Mond leuchtet nicht von selbst, sondern wird von der Sonne angestrahlt. Dabei trifft das Sonnenlicht nur auf die der Sonne zugewandte Hälfte. Von der Erde aus betrachtet sieht es jedoch so aus, als sei vom Mond im Laufe eines Monats unterschiedlich viel beleuchtet. Diese verschiedenen Mondphasen ergeben sich daraus, dass wir den Mond in dieser Zeit aus unterschiedlichen Richtungen betrachten, weil er um die Erde kreist. In der Abbildung sind die acht beobachteten Mondphasen dargestellt.
Entstehung von Sonnen- bzw. Mondfinsternis
Während einer Sonnenfinsternis befindet sich der Mond relativ zur Erde gesehen in der Neumond-Phase. An dieser Stelle besteht die Chance, dass sich der Mond zwischen Sonne und Erde befindet und einen Schatten auf die Erde wirft. Wird die Sonne von der Erde aus betrachtet vollständig vom Mond verdeckt (Kernschatten), nennt man dies eine totale Sonnenfinsternis. Wird dagegen nur ein Teil verdeckt (Halbschatten), bezeichnet man das Ereignis als partielle Sonnenfinsternis. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Bei einer Mondfinsternis befindet sich der Mond in der Vollmond-Phase. An dieser Stelle kann er in den Schatten der Erde wandern. Auch hier unterscheidet man zwischen einer totalen und einer partiellen Mondfinsternis. Bei einer totalen Finsternis befindet sich der Mond vollständig im Kernschatten der Erde (vgl. Abbildung rechts). Während einer partiellen Mondfinsternis befindet sich dagegen nur ein Teil des Mondes im Kernschatten (vgl. Abbildung links).
Fehlerabschätzung
- Ein Abdunkeln des Raumes ermöglicht eine bessere Sichtarkeit von Licht und Schatten.
- Breite der
Sonne
verringert die Sichtbarkeit von Halb- und Kernschatten, macht bis zu einem gewissen Grad die Sichtbarkeit aber auch erst möglich. - Schülerinnen und Schüler sollten darauf aufmerksam gemacht werden, dass die Abstände in dem Modell nicht maßstabsgetreu sind.
Sicherheitshinweise
- Verbrennungsgefahr durch die beiden verwendeten Experimentierleuchten. Diese werden nach einiger Zeit extrem heiß.
- Gefahr durch herabfallende Experimentiergegenstände.
Fotos
-
Versuchsaufbau zur Demonstration der Entstehung der Mondphasen.
-
Schematische Darstellung zur Entstehung der Mondphasen.
-
Mondphasen
-
Demonstration der Sonnenfinsternis.
-
Demonstration der Mondfinsternis.
Literatur
- ↑ H. Schecker, T. Wilhelm, M. Hopf, R. Duit (Hrsg.) (2018). Schülervorstellungen und Physikunterricht. Ein Lehrbuch für Studium, Referendariat und Unterrichtspraxis. Berlin: Springer-Verlag GmbH. S. 92 f.
Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0