Modell: Veränderung des Schattens auf der Erde

Über das Drehen an einer Scheibe können Kinder die Erddrehung um sich selbst nachahmen und die Veränderung der Schattenlängen und Positionen erforschen.

Was wird benötigt? 

  • Kleine Taschenlampe (Länge 8-9 cm)
  • Tennisball mit vorbereiteter Kreuzöffnung (Teppichmesser!) für die Taschenlampe
  • Runde Pappe, z.B. Tortenunterlage, mit ~30cm Durchmesser mit
    • markiertem Mittelpunkt
    • eingezeichnetem Radius
    • Punkt auf Radius nahe am seitlichen Rand
    • zwei kleinen Striche, die verlängert mit dem eingezeichneten Radius einen Winkel von 40-45° bilden würden
  • Klopapierrolle
  • Malerkrepp
  • Stift und Blatt Papier
  • Lineal
  • Spielfigur z.B. aus einem Brettspiel
  • ein bisschen Wolle oder andere Schnur
Tortenunterlage mit Markierungen
Tortenunterlage mit Markierungen

Wie gehen wir vor?

  1. Auf einem Tisch wird eine Stelle mit Malerkrepp markiert. Auf diese Markierung wird senkrecht die Klopapierrolle gestellt.
  2. Die Taschenlampe wird angeschaltet und tief in die vorgesehene Öffnung des Tennisballs gesteckt. Anschließend wird der Tennisball vorsichtig auf die Öffnung der Klopapierolle gelegt. So, dass die Lichtstrahlen auf den Tisch strahlen.
  3. Wir legen die Tortenunterlage auf den Tisch in den in den Lichtstrahl. Sie sollte komplett beleuchtet sein. Der Radius samt Punkt "zeigt" zur Taschenlampe. Die Taschenlampe und der Radius liegen auf einer gedachten Linie. 
  4. Wir kleben in Verlängerung des eingezeichneten Radius eine kleine Markierung auf den Tisch. Auf die Markierung malen wir, wiederum in Verlängerung des Radius, einen kleinen Strich.  Bei uns betrug der Abstand zwischen den beiden Markierungen auf dem Tisch rund 22cm.

Gerne erkläre ich jetzt, dass die Lichtstrahlen so auf den Pappkreis fallen wie die Sonnenstrahlen auf die Erde. Ich ergänze, dass die Sonne natürlich viel größer ist als die Erde, die wiederum die Form einer Kugel hat. Wir arbeiten mit einem Modell!

Versuchsaufbau
Versuchsaufbau

Es geht los!

  1. Wir stellen den Sonnenstrahlen einen Hindernis in den Weg, indem wir die Spielfigur auf den großen Punkt des Pappkreises stellen. Gibt es einen Schatten? Wo fällt er hin?
  2. Die Pappe wird um sich selbst gedreht: Einmal nach links und einmal nach rechts, jeweils bis die Striche auf der Pappe auf Höhe des Striches auf der Markierung sind. Wie verändert sich der Schatten der Spielfigur? Wo fällt er hin?
  3. Die Kinder messen die Länge des Schattens: In der Ausgangsposition und in den anderen Positionen. Dafür markieren sie den längsten Punkt des Schattens und messen vom Mittelpunkt des großen Punktes (auf dem die Figur steht). Sie schreiben die Ergebnisse auf. Sind die Kinder zum Messen zu jung sind, so lassen sich Längenunterschiede auch mit einem Wollfaden nachweisen.
  4. Die Kinder vergleichen mit einem Wollfaden, die Strecke zwischen Figur und der Klopapierrolle (mithin Taschenlampe) in den jeweiligen Positionen. Sie starten mit der Ausgangsposition, indem sie sich einen passenden Wollfaden abschneiden.

 Was beobachten wir? 

  1.  Wir erkennen einen Schatten, hinter der Taschenlampe direkt auf dem Radius.
  2. Die Position der Figur ändert sich nicht. Der Schatten hat jeweils seine Position verändert. Der Schatten ist  zudem länger. 

3.  Die genauen Maße sind immer anders. Sie hängen von der Größe der Spielfigur, dem Einfallswinkel der Lichtstrahlen in der                     Ausgangsposition  und dem Abstand zwischen  Lichtquelle und Spielfigur ab. Unsere Spielfigur war 3cm hoch. Bei uns waren die           Werte wie folgt:

Position


Ausgangsposition

Pappe nach links gedreht

Pappe nach rechts gedreht

Schattenlänge


7,3 cm

9,0 cm

9,0 cm


 

4. Der Wollfaden der Ausgangsposition ist für die beiden anderen Positionen zu kurz.

 

Woran mag das liegen?

  1.  Die Figur ist ein Hindernis und versperrt den Sonnenstrahlen den Weg auf die Unterlage. Hinter dem Gegenstand, in Verlängerung der Lichtstrahlen, bildet sich einen Schatten.
  2.  +  3.  +  4.  Die Schatten verändern ihre Position. weil die Lichtstrahlen aus einer anderen Richtung auf die Figur treffen. Lichtstrahlen und Schatten bilden immer eine Linie! Die Schattenlänge verändert sich, weil die Lichtstrahlen flacher fallen. Wie wir festgestellt haben, ist der Weg zwischen Lichtquelle (Taschenlampe) und Spielfigur größer geworden. Je größer der Abstand, desto flacher fallen die Lichtstrahlen - solange sich die Höhe der Lichtquelle nicht verändert. 

    Aus Sicht der Figur steht die Sonne tiefer am Himmel. Aber, die Sonne ihre Position zur Erde nicht verändert hat. Die Figur hat                durch die Erddrehung ihre Position verändert. Der Figur erscheint die Sonne deshalb tiefer. Genauso erklärt sich auch der                        Tagbogen der Sonne.

aus dem Buch "Warum wandert die Sonne?"
aus dem Buch "Warum wandert die Sonne?"

Wie steil die Lichtstrahlen auf die Unterlage fallen, lässt sich mit einem Wollfaden sichtbar machen, indem wir den oberen Lichtstrahl, der die Grenze zwischen Licht und Schatten bildet, zeigen. Wir führen den Wollfaden vom oberen Ende des Schattens auf der Unterlage in einer geraden, gespannten Linie bis zur Taschenlampe. Das machen wir sowohl für die Ausgangsposition als auch die gedrehte Position. Es macht Sinn, mit der gedrehten Position zu beginnen, weil hier der Wollfaden länger sein muss. Zu Beginn müssen wir nämlich grob abschätzen wie lang der Faden sein muss, damit er die Strecke auch abdecken kann. Auf exakte Längen kommt es nicht an.

 

Tipps

  • Sollten Kinder das Experiment zeitgleich machen, kann es spannend sein, über unterschiedliche Messergebnisse in Nr. 3 zu diskutieren. 
  • Als Figur eignet sich vieles aus dem Kinderzimmer. Sie darf nur nicht zu groß sein, damit der komplette Schatten auf die Pappunterlage fällt.
  • Die Konstruktion für die Taschenlampe (= Taschenlampenständer) eignet sich für diverse Schattenspiele. Es lässt sich z.B. so weiterexperimentieren: Die Figur steht in der Ausgangsposition. An die Kinder wird die Frage gerichtet, was mit dem Schatten passiert, wenn die Klopapierrolle samt Tennisball hochgehoben wird?

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