KSP Muster - Bildungsserver Sachsen

Transcription

Anregungen
und
Materialien
Muster und Strukturen
in der Natur entdecken und untersuchen
Inhaltsverzeichnis
1
Intentionen
3
2
Fachliche Grundlagen
3
3
Didaktisch-methodische Anregungen
9
Materialien (Arbeitsblätter)
12
•
M 1: Die Vielfalt der Schneeflocken
12
•
M 2: Der Mantel aus Turkmenien
13
•
M 3: Pythagorasbäume
14
•
M 4: Parkettierungen
15
•
M 5: Fellzeichnungen
16
•
M 6: Fingerabdrücke in der Verbrechensaufklärung
17
•
M 7: Lernspiel - Blüten und Blätter
18
•
M 8: Herausbildung von Strukturen bei chemischen und physikalischen
Prozessen
19
•
M 9: Wachstum nichtlebender „Pflanzen“
20
•
M 10: Von der Unordnung zur Ordnung
21
•
M 11: Untersuchungen von Wärmeströmungen mithilfe der Schlierenoptik
22
•
M 12: Erzeugung von Konvektionszellen
23
•
M 13: Untersuchungen von Strömungen mit der Fadenstrahlsonde
24
•
M 14: Lawinen - Ursachen und Wirkungen
25
Weiterführende Literatur
28
Bildquellenverzeichnis
29
Impressum:
Autoren:
Dr. Hans-Peter Pommeranz
Herausgeber:
Landesinstitut für Schulqualität und Lehrerbildung von
Sachsen-Anhalt (LISA)
Layout:
Dr. Hans-Peter Pommeranz
Druck:
ISSN:
LISA Halle(Saale) 2013 (…) - 1. Auflage
Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-NC-SA 3.0)
2
3
1
Intentionen
In der belebten und unbelebten Natur gibt es eine Fülle von Mustern und Strukturen, die
durch ihre Vielfalt an Formen und Farben beeindrucken. Leider finden sie im herkömmlichen
naturwissenschaftlichen Unterricht bisher kaum Beachtung.
Im Wahlpflichtkurs sollen sie in den Mittelpunkt gestellt werden, um die Schülerinnen und
Schüler zum genauen Beobachten dieser Erscheinungen anzuregen. Dies erfordert deren
intensive und ausdauernde Betrachtung sowie ein angemessenes Festhalten in Zeichnungen, Fotografien oder Texten, ein kriteriengeleitetes Ordnen und Systematisieren. Damit
werden wichtige allgemeine naturwissenschaftliche Kompetenzen der Erkenntnisgewinnung
gefördert. Zugleich werden beim Entdecken und Vergleichen verschiedener Arten auch emotionale Zugänge zur Natur eröffnet und Einstellungen zum Naturschutz entwickelt.
Bei Untersuchungen von sich langsam herausbildenden Strukturen bei chemischen und physikalischen Prozessen können die Schülerinnen und Schüler erfahren, weshalb es zur Ausbildung solcher Strukturen kommt und wie kleine Einflüsse die Form der Strukturen beeinflussen. Damit können Einsichten über das Verhältnis von Gesetz und Zufall bei natürlichen
Prozessen gegründet werden.
2
Fachliche Grundlagen
Muster
Sichtbare Oberflächenzeichnungen werden als Muster bezeichnet. Alle Dinge, die für Lebewesen bedeutsam sind, weisen Muster auf. Die wahrgenommenen Eigenschaften dieser
Muster sind Symmetrien und Wiederholungen, wobei diese exakt oder leicht verändert (ähnlich) auftreten können.
Abb. 1: strukturlos
Abb. 2: Struktur ohne erkennbares Muster
Abb. 3: Muster mit
Wiederholungen
(axialsymmetrisch)
Abb. 4: Muster mit
Wiederholungen
(zentralsymmetrisch)
Kreuzblüten weisen ein Muster auf, das
-
durch Drehung um 90° oder
-
durch Spiegelung
in sich selbst übergeführt werden kann.
Abb. 5: Kreuzblütengewächs
4
Strukturen
Der räumlich geordnete Aufbau der belebten und unbelebten Materie wird in den Naturwissenschaften als Struktur bezeichnet. Diese Strukturen bilden sich unter bestimmen Bedingungen spontan und immer in gleicher oder ähnlicher Weise heraus (Selbstorganisation der
Materie). Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden:
•
Strukturbildung in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts
Beispiele: Bildung von Schneeflocke und Salzkristalle beim langsamen Abkühlen
Abb. 6: Schneekristall
Abb. 7: Kochsalz-Kristall
Abb. 8: Chromalaun-Kristall
Bei der Herausbildung dieser Strukturen wird die in den jeweiligen Systemen enthaltene Energie durch Wärmeabgabe an die Umgebung minimal. Die Strukturen bleiben
ohne Energiezufuhr stabil. Wird Energie zugeführt, dann lösen sich die Strukturen
auf.
•
Strukturbildung fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht
Lebende Strukturen können nur existieren, wenn sie ständig mit den Nährstoffen
Energie aufnehmen, körpereigene Substanzen aufbauen und energiearme Stoffe und
entwertete Energie abgeben. Dieser Strukturaufbau folgt genetisch festgelegten Regeln, kann aber durch äußere Einflüsse (z. B. Licht, Konzentration von Nähr- oder
Schadstoffen, Wind, Wasserströmung) variiert werden.
Aber auch in unbelebten Systemen können sich Strukturen herausbilden, die unter
bestimmten Bedingungen stabil bleiben. Diese Erscheinung wird als Selbstorganisation bezeichnet.
Beispiele: Bildung von Wirbel, Konvektionszellen oder Solitone
Abb. 9: Luftwirbel hinter Flugzeug
Abb. 10: Konvektionszellen auf der Sonnenoberfläche
Abb. 11: Gezeitensoliton
auf dem Severn
5
Wesentliche Bedingungen für Selbstorganisation eines natürlichen Systems sind
-
Entropieexport (Höherwertige Energie wird vom System aufgenommen und
minderwertige abgegeben.)
-
Energietransformation (Über mehrere Stufen wird im Innern des Systems
Energie in hochwertige umgewandelt, z. B. thermische Energie in Strömungsenergie.)
-
kritischer Wert (Erst bei Überschreiten eines kritischen Wertes ist der Abstand
vom Gleichgewicht so groß, dass sich stabile Strukturen herausbilden.)
-
Nichtlinearität und Rückkopplung (Kleine Veränderungen im System verstärken sich selbst.)
-
Ordnung (Mikroskopische Teilchenbewegungen werden synchronisiert und
dadurch makroskopisch wahrnehmbar und wirksam.)
-
Stabilität (Diese selbstorganisierten Systeme sind gegen kleine Störungen
stabil, größere Störungen führen zur Systemzerstörung).
Konvektionszellen (Bénard-Zellen1)
Die thermische Konvektion ist die Grundlage für viele wichtige und spektakuläre Phänomene
auf unserem Planeten. Beispielsweise bestimmen die Zirkulationen der Atmosphäre und der
Ozeane zu einem gewissen Teil die kurz- bzw. mittelfristigen Wetterveränderungen. Auch die
Kontinentalverschiebung, d. h. die Bewegung der Kontinentalplatten, wird durch weiträumige
Strömungen im Erdmantel verursacht. Der Transport von Wärme und Masse innerhalb der
Sonne beeinflusst entscheidend ihre Aktivität.
In der täglichen Wetterkarte sind großflächige Konvektionszellen in der Atmosphäre durch
die Begriffe Hochdruckgebiet und Tiefdruckgebiet gekennzeichnet. Ein Tief ist durch aufsteigende Luftmassen gekennzeichnet, was zu tieferem Luftdruck führt. Absinkende Luft erhöht
den Luftdruck. In Bodennähe ist aus der Kenntnis der Lage von Hochdruck- und Tiefdruckgebieten und der Größe der Druckdifferenz eine detaillierte Windvorhersage möglich. Mit
dem Wind erleben wir die Bodenströmung einer Konvektionszelle.
Werden diese Vorgänge experimentell, zum Beispiel beim langsamen Erwärmen einer Flüssigkeit in einem Topf, untersucht, kann man mehrer Phasen beobachten:
Phase 1:
Stabilität
Am Anfang (vor dem Einschalten der Heizplatte) herrscht ein thermisches Gleichgewicht. Die
Temperatur ist in allen Gebieten der Flüssigkeit gleich groß. In der Flüssigkeit hat sich ein
homogener, stabiler Zustand eingestellt.
Nun wird die Flüssigkeit von unten etwas erwärmt. Die Temperatur der Flüssigkeit in der Nähe des Topfbodens ist nur etwas größer als die Temperatur der darüber liegenden Schichten. Dadurch ändern sich am unteren Gefäßrand mit der Temperatur der Flüssigkeit auch
deren Dichte und damit die auf sie wirkende Auftriebskraft. Noch ist aber der Druck der darüberliegenden Flüssigkeit größer, so dass die Flüssigkeitsschicht in Ruhe bleibt und die
zugeführte Wärme nur durch Leitung übertragen wird.
1
Henri Bénard hat diese Form des Wärmeaustausches um 1900 experimentell untersucht.
6
Phase 2:
geordnete Instabilitäten - Selbstorganisation - Konvektion
Wird die Temperaturdifferenz am Boden größer und übertrifft die Temperaturdifferenz einzelner Schichten einen kritischen Wert, so übertrifft die auftreibend Kraft an einigen Stellen
(z. B. am Topfrand) die hemmende Kraft. Die Flüssigkeit setzt sich makroskopisch sichtbar
nach oben in Bewegung. Zugleich strömt ein Teil der Flüssigkeit von oben in die freiwerdenden Räume.
Nach kurzer Zeit stellt sich ein relativ stabiles Muster von Zellen ein (Abb. 12). Die Rotationsgeschwindigkeit hat sich kontinuierlich erhöht und
schließlich einen konstanten Wert erreicht, bei dem
die antreibende Auftriebkraft (die linear mit der
Temperaturdifferenz angewachsen ist) genauso
groß ist wie die hemmende Reibungskraft innerhalb
der Flüssigkeit (die quadratisch zur Geschwindigkeit
angewachsen ist). Wenn bei diesem Gleichgewicht
die Temperatur konstant gehalten wird, bleibt die
Struktur über lange Zeit erhalten.
Phase 3:
Turbulenzen - Chaos
Übersteigt die Temperaturdifferenz einen weiteren
kritischen Wert verwischt die Zellenstruktur. Es entstehen Turbulenzen als eine Ausdrucksform chaotischen Verhaltens des Systems Flüssigkeit.
Abb. 12: Bernard-Zellen
Wirbel in einer Strömung
Strömt eine Flüssigkeit oder ein Gas im Kreis, so wird
dies als Wirbel bezeichnet. Diese bilden sich immer
dann, wenn sich innerhalb der Flüssigkeit oder des
Gases (allg.: Fluid) Gebiete mit ausreichend großer
Geschwindigkeitsdifferenz bewegen. Das ist z. B. der
Fall, wenn
-
Wasser aus einem Becken abfließt,
-
ein Fluid einen Körper umströmt oder Körper
sich in diesem Fluid bewegen (Die Reibung an
der Körperoberfläche verringert dort die Geschwindigkeit.),
-
sich weiträumige Luftströmungen auf der Erdoberfläche bewegen (Abbildung 13).
Abb. 13: Tiefdruckgebiet an der
Südwestküste von Island
Die kinetische Energie des strömenden Fluids wird dabei in den Wirbeln in Wärme umgewandelt.
Wirbel können über längere Zeit an einer
Stelle verharren (stationäre Wirbel) oder
sich periodisch ablösen. Das dabei entstehende Bild nennt man Kármán’sche Wirbelstraße2 (Abbildung 14).
2
Abb. 14: Karman’sche Wirbelstraße
Die Wirbelstraßen wurden von Theodore von Kármán (ungarischer Physiker und Luftfahrttechniker) erstmals 1911 nachgewiesen und berechnet.
7
Corioliskraft
Bewegt sich ein Körper in einem sich drehenden System in eine Richtung (z. B. Wind oder
Wasser auf der Erdoberfläche), so wird vom mitbewegten Beobachter eine Richtungsänderung wahrgenommen (vgl. Abbildung 15). Diese (scheinbare) Richtungsveränderung wird auf
das Wirken einer Kraft, der Corioliskraft3 zurückgeführt. Für den ruhenden Beobachter ist
diese Richtungsänderung nicht wahrnehmbar, wie man sich leicht durch ein Experiment
überzeugen
kann.
ursprüngliche
Bewegungsrichtung
veränderte Bewegungsrichtung
Drehrichtung
Abb. 15.: Durch die Corioliskraft scheinbar hervorgerufene Bewegungsänderung
In der Meteorologie und der physikalischen Ozeanographie spielt die Corioliskraft eine wichtige Rolle. Aufgrund der Erdrotation bewegen sich die Luft- und Wassermassen in einem
rotierenden Bezugssystem. Dies bewirkt auf der Nordhalbkugel eine Ablenkung nach rechts,
was die Drehrichtung von Hoch- und Tiefdruckgebieten bestimmt.
Emergenz
Die spontane (oft nicht vorhersagbare) Herausbildung von
neuen Strukturen oder Eigenschaften eines Systems nennt
man Emergenz (vom lateinischen emergere für „das Auftauchen“, „das Herauskommen“ oder „das Emporsteigen“). Diese neuen Strukturen kommen durch das Zusammenwirken
sehr vieler Systemelemente unter bestimmten Bedingungen
zustande und lassen sich nicht aus den Eigenschaften dieser
einzelnen Elemente ableiten. Beispiele für Emergenz sind
-
die Ausbildung von Rippeln auf Sandflächen unter
Wasser oder an Land (Abbildung 16),
-
die Ausbildung von Schnee- oder Gerölllawinen,
-
das Gefrieren von Wasser zu Eis,
-
der Magnetismus.
Abb. 16: Sandrippel in der Wüste
Morocco (Afrika)
Selbstähnlichkeit
Wenn Ausschnitte von Objekten dem Objekt selbst ähnlich
sind, dann bezeichnet man das als Selbstähnlichkeit. Beispiele für solche Objekte sind
3
-
Farnblätter (Abbildung 17),
-
Blutgefäße,
-
Blumenkohl,
-
Spalten/Täler in Gebirgen,
Abb. 17: Selbstähnlichkeit beim
Benannt ist sie nach Gaspard Gustave de Coriolis, der sie 1835 erstmals mathematisch herleitete.
8
-
Kristalle.
Farnblatt
Reibungswinkel (Schüttwinkel)
Wird ein körniges Material aufgeschüttet, dann bildet sich ein charakteristischer Winkel heraus (Abbildung 18).
Dieser Winkel (Schüttwinkel oder Reibungswinkel genannt) entsteht durch das Verhältnis
der Hangabtriebskraft und der Reibungskraft
der einzelnen Körper miteinander.
Fr
Fh
α
Abb. 18: Kräfte am Hang
Abb. 18: Ausbildung eines Böschungswinkels von 32°
bei der Aufschüttung von grobem Sand
Wenn m die Masse des Körpers und g die Erdbeschleunigung ist, dann gilt für die Hangabtriebskraft Fh = m ⋅ g ⋅ sin α und für die Reibungskraft Fr = µ ⋅ m ⋅ g ⋅ cos α .
Aus beiden folgt: tan α = µ .
Eine Böschung ist also dann stabil, wenn für den Böschungswinkel gilt: tan α < µ , wobei µ
der Reibungskoeffizient ist.
Er und damit der Winkel α sind abhängig von
•
der Rauheit des Materials (Je rauer, desto größer ist der Winkel.)
•
der unterschiedlichen Körnung (Je mehr verschiedene Korngrößen vorhanden sind,
umso größer ist der Winkel).
•
der Verdichtung (Je mehr die Schüttung verdichtet wird, umso größer ist der Winkel).
•
dem Feuchtigkeitsgehalt (Der Winkel wächst mit Zunahme der Kohäsion zwischen
den Körnern.)
9
3
Didaktisch-methodische Anregungen
Gestaltung der Unterrichtssequenz
Muster erkennen
Muster in der Natur
Bienenwaben
Herausbildung von
Strukturen
Wirbel
Konvektionszellen
Lawinen
Systematisierung
der
Erkenntnisse
Abb. 19: Mögliche Schwerpunktsetzungen im Unterricht
Varianten:
Der Block „Muster der Natur“ kann in Klassen mit Schülerinnen und Schülern, die sich für die
mathematische Untersuchung von Strukturen interessieren, mit dem Block „Bienenwaben“
ergänzt werden.
Von den Blöcken „Wirbel“, „Konvektionszellen“ und „Lawinen“ könnte nur einer ausführlich
und die anderen beiden informativ behandelt werden.
10
Phase
1
(4 h)
2
(12 h)
3
(2 h)
Schwerpunkte
Erkennen und Beschreiben von
Mustern auf Abbildungen oder im
Original
- Beispiele: Tapeten, Stoffe,
Ornamente in der Architektur
- Eigenschaften: Symmetrie,
Periodizität, geometrische Figuren
- Erzeugung von Mustern nach
Algorithmen
- Parkettierungen
Entdecken und Beschreiben von
Mustern in der Natur
- Beispiele: Blätter, Fellzeichnungen, Minerale
- Eigenschaften: Symmetrie,
Periodizität
Erzeugung von Strukturen bei
chemischen und physikalischen
Prozessen beobachten und beschreiben
- Beispiele: Sandmuster, Paranusseffekt, Bildung von Salzkristallen
didaktisch-methodische Gestaltung
Einführung in den KSP als Lehrervortrag
Einzelarbeit oder Gruppenarbeit: Analyse von
Abbildungen
Vergleich und Diskussion der Arbeitsergebnisse
Einzelarbeit: Konstruktion von Figuren
Vergleich der Ergebnisse
Gruppenarbeit mit verschiedenen Vorgaben
Erkundung in der freien Natur
- Anfertigen von Skizzen der Muster
- fotografische Aufnahme und anschließende
Auswertung
- Erstellung von Postern über Strukturen der
Natur (z. B. verschiedene Objekte im Vergleich)
Gruppenarbeit zum Erkennen von Fingerabdrücken
- Internetrecherche
- Anwendung von Verfahren zur Abnahme
- Gestaltung eines Posters
Gruppenarbeit zur Erarbeitung und Fertigung
eines Lernspiels
Lehrervortrag zur Einführung und als Überblick
Demonstrations- und Gruppenexperimente
- genaues Beobachten und Beschreiben der
Herausbildung der Strukturen über einen
längeren Zeitraum (eventuelle Dokumentation durch Fotos)
- Variation einzelner Parameter
11
Materialien
Material 1: Die Vielfalt der Schneeflocken
Material 2: Mantel aus Turkmenien
Material 3: Pythagorasbäume
Einsatz eines Java-Applet, z. B. unter:
http://www.ies.co.jp/math/java/geo/
pytree/pytree.html
Material 4: Parkettierungen
Material 5: Fellzeichnungen
Material 6: Fingerabdrücke in der Verbrechensaufklärung
Material 7: Lernspiel
Material 8: Herausbildung von Strukturen bei
chemischen und physikalichen Prozessen
Material 9: Wachstum nichtlebender „Pflanzen“
Filme: http://www.rapp-instruments.de/foto/
Kurzzeit/timelapse/timelapse.htm
Material 10: Paranusseffekt
Phase
Schwerpunkte
didaktisch-methodische Gestaltung
Materialien
4a
(4 h)
Entdeckung und Beschreibung von
Konvektionszellen sowie Erklären
ihrer Entstehung
- Beispiele: Bernard-Zellen, Konvektionszellen in der Erdatmosphäre, im Ozean und unter der
Lithosphäre
- Übergang Ordnung - Chaos
- Methode: Schlierenoptik
Gruppenarbeit zur Durchführung und Auswertung der
Experimente
Sokratische Methode zum Erkennen der Ursachen der
Entstehung von geordneten Konvektionszellen
Schülervorträge zu ausgewählten Beispielen (z. B.
Golfstrom)
4b
(4 h)
Entstehung von Wirbeln beschreiben
und Ursachen angeben
- Beispiele: Wirbelstürme, Abflusswirbel, Wirbel an Fahrzeugkanten,
Wirbel hinter Windkraftanlagen
- Übergang Ordnung - Chaos
- Methode: Nutzung der Fadensonde
Experimente
Sokratische Methode zum Erkennen des Übergangs
von der laminaren zur turbulenten Strömung
historische Entwicklung im Fahrzeugbau, Entstehung
und Wirkungen von Wirbelstürmen)
Material 11: Untersuchungen von
Wärmeströmungen mithilfe der Schlierenoptik
4c
(4 h)
Entstehung von Lawinen beschreiben
und Ursachen angeben
- Beispiele: Schneelawinen, Gerölllawinen, Böschungsrutsch
- Grenzen der Vorhersagbarkeit
- Ursachen und Wirkungen
Experimente
Sokratische Methode zum Erkennen der Ursachen der
spontanen oder induzierten Entstehung Lawinen
Erdrutsche in Sachsen-Anhalt)
Video: Abgang eines Murganges
http://www.youtube.com/watch?featur
e=player_detailpage&v=C1Hpw8bo0k
Material 13: Lawinen - Ursachen und
Wirkungen
5
(4 h)
Einzelerkenntnisse einordnen, zueinander in Beziehung setzen und in
neuen Kontexten anwenden
Erarbeitung von Übersichten (z. B. Mindmap, Lerntafel) in Gruppenarbeit, Vorstellung und Diskussion
Erarbeitung und Erstellung eines Quiz in Gruppenarbeit, Erprobung und Bewertung durch andere Gruppen
12
SE: Erzeugung von Bernard-Zellen
(vgl. S. 5)
Material 12: Untersuchungen von
Strömungen mit der Fadenstrahlsonde
M1
Die Vielfalt der Schneeflocken
Wilson Bentley, einem amerikanischer Farmer, gelang es 1885 als einem der ersten Menschen, Schneekristalle unter dem Mikroskop zu fotografieren. Insgesamt fotografierte er
mehr als 5 000 Schneekristalle. In einer Veröffentlichung von 1922 stellte Bentley die These
auf, dass jeder Schneekristall unterschiedlich geformt sei (no two snowflakes are alike). Einige seiner Aufnahmen sind in der Abbildung wiedergegeben.
1
2
4
5
3
6
1
1
7
8
9
10
11
12
a)
Beschreibe den prinzipiellen Aufbau von Schneeflocken. Gehe dabei auch auf Symmetrien ein. Berücksichtige Gemeinsamkeiten und Unterschiede der abgebildeten Flocken.
b)
Stelle Vermutungen darüber auf, woran es liegen könnte, dass sich unterschiedliche
Flockenformen bilden.
13
M2
Der Mantel aus Turkmenien
a)
Finde auf dem abgebildeten Mantel verschiedene Muster und beschreibe diese.
b)
Vergleiche die linke und die rechte Mantelhälfte. Finde mindestens fünf Musterstörungen (Abweichungen von der Symmetrie).
14
M3
Pythagorasbäume
Geometrische Figuren, die in ihrem Muster an Pflanzen erinnern, lassen sich durch ganz einfache Vorschriften erzeugen.
Ein Beispiel sind Pythagorasbäume, die ihre Bezeichnung nach der
Planfigur für den Satz des Pythagoras haben.
a)
Zeichne unter Verwendung folgender
Schrittfolge einen solchen Baum.
(1)
Zeichne ein Quadrat mit der Seitenlänge von 5 Zentimeter an
die untere Blattkante eines weißen A4 Blattes.
(2)
Zeichne (z. B. mit dem Geodreieck) über die obere Seite ein
rechtwinkliges Dreieck so, dass
der rechte Winkel dem Quadrat
gegenüber liegt.
(3)
Zeichne an die freien Seiten des
Dreiecks jeweils ein Quadrat.
(4)
Wiederhole die Schritte (2) und
(3) entsprechend der Abbildung
noch mindestens drei Mal für alle entstehenden neuen Quadrate.
b)
Vergleiche deinen Baum mit denen deiner Mitschüler. Was stellst du fest? Versuche
dafür eine Begründung zu finden.
c)
Sucht in der Natur, ob sich Beispiele für die bei Aufgabe b gefundene Erkenntnis finden lassen.
15
M4
Parkettierungen
Fußböden oder Gehwege werden oft mit gleich
geformten Materialstücken ausgelegt.
a)
Zeichne folgende Figur auf Pappe und schneide sie als Zeichenschablone aus.
b)
Lege damit zwei Flächen so aus, dass unterschiedliche Muster entstehen.
c)
Untersuche, mit welchen der folgenden regelmäßigen n-Ecken eine Fläche ohne Lücken ausgelegt werden kann:
Begründe dein Ergebnis mathematisch.
d)
Beschreibe die bei der Aufgabe c entstandenen Muster.
16
M5
Fellzeichnungen
Auch wenn es den Eindruck macht, dass alle Zebras gleich aussehen, Zebras unterscheiden
sich in ihrer Fellzeichnung.
Vergleiche die Abbildungen der beiden Zebras genau.
Finde, markiere und beschreibe drei deutliche Unterschiede in der Fellzeichnung.
17
M6
Fingerabdrücke in der Verbrechensaufklärung
Bearbeitet in eurer Gruppe folgende Aufträge:
1
Recherchiert im Internet eine Methode zur Erfassung der Fingerabdrücke von Personen und auf Gegenständen.
Erprobt diese Methode. Stellt die dazu notwendigen Hilfsmittel
her.
Erarbeitet dazu eine Handlungsvorschrift.
Beschreibt, woran man Fingerabdrücke einzelner Personen unterscheiden kann.
2
Die Zuverlässigkeit eurer Methode soll nun getestet werden.
Präpariert ein Glas oder einen Spiegel mit einem Fingerabdruck
von einem Mitglied eurer Gruppe. Tauscht diesen Gegenstand
mit einer zweiten Gruppe aus.
Nehmt jetzt die Fingerabdrücke aller Mitglieder der zweiten
Gruppe auf.
Ermittelt, zu welcher Person der übergebene Fingerabdruck
passt.
3
Recherchiert im Internet, wie zuverlässig die „Fingerabdruckmethode“ bei der Täterfindung ist und welche anderen Methoden heute benutzt werden, um den Täter zu identifizieren (Stichwort: genetischer Fingerabdruck).
4
Stellt die Ergebnisse eurer Arbeit mithilfe eines Posters vor.
18
M7
Lernspiel: Blüten und Blätter
Ihr habt die Aufgabe, ein Lernspiel zu entwickeln und herzustellen.
Mit diesem Lernspiel sollen sich eure Mitschüler das Aussehen (die Muster) von Blüten und
Blätter einheimischer Bäume und Sträucher einprägen und sie benennen können.
Der Vorschlag für dieses Lernspiel ist ein Domino.
□
□
Spielt einmal in euere Gruppe ein „normales Domino“ und beantwortet folgende Fragen:
-
Was ist das Typische an den Domino-Steinen?
-
Nach welchen Regeln wird das Spiel gespielt?
Das Lernspiel besteht aus 20 Domino-Steinen. Auf einer Hälfte eines jeden Steines ist
ein Bild und auf der anderen Hälfte ein Name.
Pflaumenblüte
Holunderblatt
□
□
Dabei könnt ihr folgendermaßen vorgehen:
-
Überlegt euch, welche Blüten und Blätter ihr für dieses Spiel auswählen möchtet.
-
Fotografiert im Garten oder bei Spaziergängen diese Blüten und Blätter. Viele
Aufnahmen findet ihr auch im Internet. Beachtet aber die Urheberrechte.
-
Bearbeitet am Computer die Bilder und stellt eure Spielsteine zusammen. Denkt
daran, dass ein Dominostein aus zwei Quadraten besteht.
-
Macht einen Probedruck. Schneidet die Spielsteine aus und erprobt das Spiel.
-
Wenn alle Steine in Ordnung sind, macht einen Feindruck (z. B. auf Fotopapier).
-
Schneidet die Spielsteine aus und laminiert sie.
-
Erarbeitet für euer Spiel eine Spielanleitung. Schreibt und gestaltet diese am
Computer.
-
Gestaltet und fertigt für euer Spiel eine Verpackung (z. B. ein kleiner beklebter
Karton).
Tauscht mit einer anderen Gruppe das Spiel, spielt und bewertet es.
19
M8
Herausbildung von Strukturen bei chemischen und physikalischen Prozessen
Vorbemerkung
Die Herausbildung von Strukturen in der Natur erfolgt in der Regel sehr langsam (geologische Prozesse) oder sehr schnell (chemische Prozesse). In beiden Fällen ist deshalb nur
das Ergebnis, nicht aber der Prozess beobachtbar.
Bei chemischen Reaktionen in wässrigen Lösungen, die nicht geschüttelt werden, wird dieser Prozess so langsam, dass er gut beobachtet werden kann.
Experiment 1
Auftrag: Untersucht, wie sich ein Stoff in Wasser auflöst.
Aufbau und Durchführung:
- Stellt ein kleines Becherglas in ein großes.
Würfelzucker
- Füllt beide Gläser wie abgebildet mit Wasser.
Uhrglasschälchen
- Legt auf das kleinere Becherglas ein Uhrglasschälchen so,
dass es vollständig im Wasser liegt.
Becherglas
mit Wasser
- Legt auf das Schälchen ein Stück Würfelzucker.
Auswertung:
Becherglas
mit Wasser
Beobachtet den Auflösungsprozess genau.
Hinweis:
Das Phänomen wird deutlicher sichtbar, wenn ein weißes Blatt Papier als Hintergrund aufgestellt wird.
Beschreibt eure Beobachtung.
Experiment 2
(Achtung: Blei(II)-nitrat ist giftig! Das Experiment muss von der Lehrkraft vorbereitet
und dann mit einer Glasabdeckung bereitgestellt werden.)
Auftrag: Untersucht, wie sich ein neuer Stoff bildet und welche Veränderungen darauf Einfluss haben.
Aufbau und Durchführung:
- Stellt eine Petrischale waagerecht auf.
Petrischale mit Wasser
Blei(II)-nitrat
- Füllt so viel Wasser hinein, dass es ca.
3 mm hoch steht.
Kaliumjodid
- Gebt an den einen Rand der Schale etwas Bleinitrat.
- Gebt einige Minuten später an den gegenüber liegenden Rand etwas Kaliumjodid.
- Wiederholt den Versuch. Gebt aber jetzt beide Substanzen gleichzeitig ein.
Auswertung:
Haltet die Veränderungen in einer Bildfolge (pro Minute ein Bild) fest. Beschreibt die Herausbildung der Struktur mithilfe dieser Bilder.
20
M9
Wachstum nichtlebender „Pflanzen“
Vorbemerkung
Pflanzen wachsen so langsam, dass dieses Wachstum trotz genauer Beobachtung über einige Stunden nicht wahrgenommen werden kann. Bei Bäumen dauert es oft Jahre, ehe man
größere Unterschiede feststellt. In der nicht belebten Natur sind Wachstumsprozesse oft
auch über längere Zeiträume oft nicht wahrnehmbar. Im folgenden Experiment soll aber genau das sichtbar gemacht werden.
Experiment
Auftrag: Dokumentiert die Bildung von Silicatvegetationen.
Materialien:
-
Wasserglas
-
verschiedene Salze, z. B.
-
·
Mangan(II)-chlorid
·
Eisen(II)-sulfat
·
Eisen(III)-chlorid
·
Silbernitrat
große Bechergläser oder Schraubgläser
Durchführung:
-
Ein Becherglas wird mit Wasserglas (1 : 5 mit Wasser verdünnt) gefüllt; das zweite mit
einer entsprechenden Lösung 1 : 10.
-
Jetzt werden vorsichtig in beide Gläser einzelne Salzkristalle nacheinander fallen gelassen und mit einem Glasstab gleichmäßig auf dem Boden verteilt.
Hinweis:
Vereinbart mit den anderen Gruppen, welche Salze die einzelnen Gruppen verwenden.
-
Die Gläser werden zugedeckt und ruhig stehen gelassen.
Auswertung:
Dokumentiert die Herausbildung der „Pflanzenstrukturen“, indem ihr nach bestimmten Zeitabständen jeweils ein Foto macht. Diese gelingen besonders gut, wenn die Gläser seitlich
angeleuchtet werden und sie vor einem dunklen Hintergrund stehen.
Vergleicht eure „Pflanzen“ mit den „Pflanzen“ der anderen Gruppen.
21
M 10
Von der Unordnung zur Ordnung
Vorbemerkung
Wenn unbelebte Objekte sich selbst überlassen werden, dann geht die anfängliche Ordnung
in Unordnung über. Beispiele dafür sind der zusammen gekehrte Haufen von Blättern, die
sich im Raum ausbreitenden Parfümteilchen oder der Wärmeausgleich zwischen zwei Körpern unterschiedlicher Temperatur.
Es gibt aber auch Vorgänge, da geht es in die umgekehrte Richtung: Von der Unordnung zur
Ordnung. Ein Beispiel ist Müsli. Wie durch ein Wunder sind die Nüsse und Rosinen immer
oben und die vielen kleinen Krümel unten. Diese Erscheinung wird Paranusseffekt genannt.
Experiment
Auftrag:
Erzeugt im Experiment den Paranusseffekt.
Untersucht auch, ob dieser Effekt durch folgende
Größen beeinflusst wird:
-
Größe der kleinen Körper
-
Größe des großen Körpers
-
Form des großen Körpers
-
Dichte des großen Körpers
-
Frequenz des Schüttelns
-
Amplitude des Schüttelns
Stellt für jeden Fall eine Vermutung auf und entwickelt jeweils ein Experiment. Überlegt genau,
welche Bedingung konstant gehalten werden
müssen.
Durchführung:
-
Legt auf den Boden eines Schraubglases einen größeren Körper, der zur besseren
Sichtbarkeit eine andere Farbe als die kleinen Körper haben sollte (vgl. Abb.).
-
Schüttet nun so viele kleine Körper in das Glas, dass es ca. zu drei Viertel gefüllt ist.
Schraubt es zu.
-
Schüttelt das Glas so lange, bis der große Körper oben sichtbar wird. Stoppt die Zeit.
Auswertung:
-
Stellt die Ergebnisse eurer Untersuchung übersichtlich dar.
-
Erklärt das Zustandekommen des Paranusseffektes.
Hinweis: Nutzt dazu den Gedanken, dass beim Hochspringen der Körper unter ihnen
Lücken entstehen.
22
M 11
Untersuchungen von Wärmeströmungen mithilfe der Schlierenoptik
Wärmeströmungen in Luft oder im Wasser sind aufgrund der Durchsichtigkeit dieser Stoffe
kaum oder gar nicht sichtbar. Mit der bei diesem Experiment eingesetzten Methode werden
diese Strömungen sichtbar gemacht.
Schirm
Vorbetrachtungen
a) Erläutere mit einer Skizze, wie sich die Ausbreitung eines Lichtstrahls ändert, wenn er von Luft
in Glas bzw. von Glas in Luft übergeht.
b) Skizziere den weiteren Verlauf des Lichtstrahls in
der Abbildung bis zum Schirm.
Beschreibe, was man auf dem Schirm beobachten kann.
Lichtstrahl
Luft
Durchführung
-
Baue das Experiment entsprechend der Abbildung in einer abgedunkelten Stelle des Raumes auf.
-
Verändere die Abstände Taschenlampe - Kerze
und Kerze - Schirm solange, bis du die aufströmende Luft deutlich siehst.
Wasser
Schirm
optische Leuchte (Taschenlampe)
-
Kerze
Beobachte den Luftstrom bis etwa 25 cm über der Flamme genau.
Auswertung
Beschreibe deine Beobachtungen mithilfe einer beschrifteten Skizze. Gehe auch auf laminare (gleichmäßige) und turbulente Abschnitte der Strömung ein.
Begründe, warum es zu dieser Erscheinung kommt.
23
M 12
Erzeugung von Konvektionszellen
Wird eine Flüssigkeit langsam erwärmt, so kann man bei einem geschickten Vorgehen das
Entstehen von Strukturen beobachten.
Vorbetrachtung
1
Ordne folgende Vorgänge nach der Art der Wärmeübertragung. Nutze dazu die Tabelle.
Lagerfeuer, Heizung, Wasserkocher, Backofen, Sonne, Kaffeelöffel, Bratpfanne, Rotlichtlampe, Heizkissen, Motorkühlung
Wärmeleitung
2
Wärmeströmung
Wärmestrahlung
Im Winter wurde in zwei Zimmern die Temperatur an verschiedenen Stellen gemessen.
Das Zimmer 1 wird mit einem alten, gemütlichen Kachelofen geheizt; das Zimmer 2 mit
einem modernen Flachheizkörper:
Messstelle
1
2
3
4
Zimmer 1
16 °C
70 °C
20 °C
35 °C
Zimmer 2
30 °C
20 °C
23 °C
40 °C
Trage die Nummern in die
Zimmer 1
Zimmer 2
Ergänze in den Skizzen die Bewegung der Luft in den Zimmern. Erkläre das Zustandekommen der Bewegung.
24
Durchführung
Materialien:
–
Heizplatte (SEG)
–
Petrischale
–
Motorenöl (synthetisch)
–
Kontrastmittel (Aluminiumbronze/Scheuersand)
Geräte und Materialien zur Erzeugung von
Konvektionszellen
(1)
Vermische einige Tropfen „Silberbronze“ mit Öl mischen und verrühre das Gemisch
gut.
(2)
Erzeuge mit der Mischung in der Petrischale eine ca. 3 mm dicke Schicht.
(3)
Stelle die Petrischale auf die noch kalte Heizplatte
(4)
Beobachte nach dem Einschalten wird die Oberfläche der Flüssigkeit und fotografiere
markante Zustände.
Auswertung
1
Beschreibe die Veränderungen in der Flüssigkeit in einem kurzen Text. Beziehe in diesen Text auch deine Fotos und folgende Begriffe ein: Dichte, Erwärmung, Muster, Wärmeströmung, Temperatur.
2
Erkunde mithilfe des Internets, wo das untersuchte Phänomen in der Natur auftritt. Gib
dazu als Suchbegriff „Strömungszelle“ ein.
25
M 13
Untersuchungen von Strömungen mit der Fadenstrahlsonde
Durch Autos, Flugzeuge oder Windkraftwerke wird die Luft stark verwirbelt. Da diese Verwirbelungen Energieverluste hervorrufen, sind sie unerwünscht. Durch konstruktive Maßnahmen können sie verringert werden. Dazu müssen die Luftströmungen um und hinter Körpern
erforscht werden. Mit der Fadenstrahlsonde ist das möglich.
Vorarbeiten
•
Bau von Fadensonden
Wollfaden
Draht
Holzstab
•
Bau von Probekörpern
Um Umströmung z. B. verschieden gebauter Fahrzeuge zu untersuchen, können vereinfachte Körper mit typischen Formen verwendet werden. Diese Körper können aus
Pappe oder Plaste (Polysterol) gefertigt werden:
Durchführung
-
Haltet einen Probekörper in den Luftstrom eines Föns.
-
Haltet die Fadensonde an verschiedene Stellen in der Nähe des Körpers. Skizziert jeweils die Form des Fadens.
Auswertung
Beschreibt mithilfe einer Skizze, wie die einzelnen Probekörper umströmt werden.
Erläutert an einem Beispiel, wie eure Erkenntnisse beim Bau von Autos berücksichtigt werden.
26
M 14
Lawinen - Ursachen und Wirkungen
Lawinen treten immer unerwartet ein und
haben meist eine große zerstörerische
Wirkung. Meist sind auch Menschenleben
zu beklagen.
Ihr sollt den Ursachen dieser unheimlichen Naturphänomene auf die Spur
kommen.
Fertigt ein Lernplakat an.
Bearbeitet dazu in eurer Gruppe folgende Aufträge:
1
Lest den Text 1 „Entstehung von Schneelawinen“ und beantwortet folgende Fragen.
Fertigt dazu auch beschriftete Skizzen an.
-
Welche zwei Schneelawinenarten gibt es?
-
Unter welchen Bedingungen entsteht die eine, unter welchen die andere Art?
-
Erläutere, warum können Lawinen nicht genau vorausgesagt werden?
2
Führt eine Internetrecherche zum vorbeugenden Schutz vor Schneelawinen durch.
3
Untersucht, was die Stabilität von Sandbergen beeinflusst.
4
-
Stellt dazu mindestens drei Vermutungen auf.
-
Überlegt, wie ihr jede eurer Vermutungen experimentell prüfen könnt.
-
Führt diese Experimente durch und wertet sie bzgl. des Auftrags aus.
-
Stellt euer Vorgehen und eure Ergebnisse in einem Poster dar.
-
Hinweis: Stellt aus trockener, sandiger Erde Stoffe unterschiedlicher Körnung
durch Sieben her.
Lest den Text 2 „ Murgänge“ und beantwortet folgende Fragen. Fertigt dazu auch beschriftete Skizzen an.
-
Was versteht man unter einem Murgang? Wie breitet er sich aus?
-
Welche Geschwindigkeit erreicht er?
-
Durch welche Ereignisse kann ein Murgang ausgelöst werden?
-
Durch welche Maßnahmen können die Auswirkungen verringert werden?
-
Wie kann ermittelt werden, vor wie vielen Jahren der Murgang stattfand?
27
Text 1:
Entstehung von Schneelawinen
Lawinen sind eine große Naturgefahr in den schneebedeckten Gebirgen der Welt – so auch
im dicht besiedelten Alpenraum. Die Entstehung von Lawinen hängt wesentlich von den Eigenschaften der Schneedecke ab. Die komplexe Mikrostruktur des Schnees und die räumlichen Variationen der Schichteigenschaften setzt dabei der Vorhersagbarkeit von Lawinen
Grenzen.
Lawinen bedrohen Verkehrsverbindungen und Siedlungen, aber auch Touristen im winterlichen Gebirge. Im langjährigen Durchschnitt kommt es jährlich zu rund 110 Lawinenopfern im
europäischen Alpenraum. Große Anstrengungen beim Lawinenschutz haben dazu geführt,
dass verheerende Lawinenniedergänge, die Opfer auf Verkehrswegen oder in Siedlungen
fordern, glücklicherweise nur noch relativ selten vorkommen. Die meisten Lawinenopfer sind
heute Schneesportler, die „ihre“ Lawine oft selbst ausgelöst haben.
Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Lawinen:
Lockerschneelawinen
Diese gehen von einem Punkt aus und sind meist harmlos. Diese Erscheinung tritt auch beim Aufschütten von
Sand oder anderem körnigen Material auf. Einige wenige
Körper kommen ins Rutschen und eine ganze „Lawine“
wird dadurch ausgelöst. Auch an steilen Hängen können
z. B. durch Regen Gerölllawinen, sogenannte Muren,
ausgelöst werden.
Schneebrettlawinen
Bei diesen kommt eine ganze Schneetafel gleichzeitig ins Rutschen. Dadurch werden sie
groß und gefährlich. Schneebrettlawinen entstehen auf Hängen, die steiler als rund 30 Grad
geneigt sind. Die Schneedecke ist als Folge von verschiedenen Niederschlagsereignissen
geschichtet. In Schönwetterperioden beeinflusst das Wetter die Schneeoberfläche. Es kann
sich Oberflächenreif bilden, oder die Schneeoberfläche kann sich anderweitig so ungünstig
umwandeln, dass die durch den nächsten Schneefall abgelagerte Schicht keinen genügenden Halt findet. Diese Situation ist häufiger in sehr steilen Schattenhängen anzutreffen. Gleitet diese Schneeschicht – das Schneebrett – von selbst ab, spricht man von einer spontanen
Auslösung. Kann sich zum Beispiel während eines starken Schneefalls der Schnee nicht
genügend verfestigen und mit der darunter liegenden Schneeschicht verbinden, so kann es
zum Bruch innerhalb der Schneedecke kommen. Innerhalb weniger Sekunden können sich
große Hangteile ablösen und nach dem Bruch am oberen Rand abgleiten. Die Schneetafel
zerbricht und donnert mit schnell zunehmender Geschwindigkeit zu Tale. solche Schneebrettlawinen erreichen Geschwindigkeiten von 50-100 km/h. In sehr steilem Gelände kann
sich aus einer trockenen Schneebrettlawine während des Absturzes eine Staublawine entwickeln, die 200-300 km/h schnell werden kann.
Auch wenn die Schwachschicht unter dem Schneebrett das Gewicht der darüberliegenden
Schichten zu tragen vermag, so kann sie immer noch über längere Zeit nach dem Schneefall
schwach genug sein, dass ein Schneesportler lokal einen Bruch erzeugen kann, der dann
zum Abgleiten der ganzen Schneetafel und damit oft zur Verschüttung des Schneesportlers
führt. In diesem Fall spricht man von einer künstlichen Auslösung, die auch gewollt durch
den Einsatz von Sprengstoff zur Sicherung von Skigebieten eingesetzt wird.
Aufgrund der Topographie und der Wechselwirkung von Gelände und Wetter (Niederschlag,
Sonnenstrahlung, Wind) können die Eigenschaften der Schneedecke räumlich und zeitlich
stark variieren. Es ist daher bis heute nicht möglich, den genauen Ort und Zeitpunkt eines
Lawinenniederganges zu prognostizieren. Allerdings ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit
eines Abganges abzuschätzen. Darauf beruht die Lawinenwarnung.
Quelle: http://www.slf.ch/forschung_entwicklung/lawinen/entstehung/index_DE, 22.01.2013
28
Text 2:
Murgänge
Ein Murgang (auch Mure oder Rüfe genannt) ist ein schnell talwärts fließender Strom aus
Schlamm und gröberem Gesteinsmaterial im Gebirge. Murgänge haben einen hohen Feststoffgehalt und dadurch bedingt eine hohe Dichte (bis 2,6 g/cm3). Ein Murgang kann einige
hunderttausend Kubikmeter Material transportieren. Durch seine Energie kann er große Verwüstungen anrichten. Die meist klar ausgeprägte Front kann eine Geschwindigkeit von bis
zu 60 km/h erreichen.
Entstehung und Ablauf
Ein Murgang entsteht im Gebirge, wenn im steilen Gelände wenig verfestigtes Material (Geröll, Schutt und Erdmaterial) zu
nass wird und allein in Bewegung gerät. Ausgelöst das durch
starke oder lang anhaltende Niederschläge oder eine schnelle
Schneeschmelze. Murgänge folgen meist bestehenden Bachbetten oder Rinnen und erweitern sie stark, sie können aber
auch eine neue Rinne graben. Große Steine konzentrieren sich
an der Murenfront, die Material bis hin zu metergroßen Felsblöcken und Baumstämmen mitreißen kann. Schon entlang des
Fließweges wird einiges von dem transportierten Material in
Randwällen wieder abgelagert. Die Bewegung endet meist am
Hangfuß, wo das Gefälle nachlässt.
Gefahrenpotenzial
Ein Murgang hat deutlich mehr Energie als ein Hochwasser und richtet erheblich höheren
Schaden an. Ein mit voller Wucht auftreffender Murgang kann Häuser, Verkehrswege und
Brücken zerstören. Oft werden die Straßen und die Erdgeschosse von Häusern meterhoch
mit dem Schlamm-Geröllgemisch verschüttet. Dies geschieht unter anderem, wenn Bachläufe in Ortschaften zu eng kanalisiert sind und der Murgang dort über die Ufer tritt. Wegen der
oft langen Zeiträume zwischen einzelnen Murgängen ist sich die Bevölkerung dieser Gefahr
oft nicht bewusst.
Zur Vorbeugung gegen Murgänge und Murgangschäden gehören:
•
bauliche Schutzmaßnahmen wie Geröllsperren, Rückhaltedämme oder Ablenkbauwerke
•
verbreitern kanalisierter Bäche und Vermeidung von Engpässen (besonders bei Brücken), damit der Murgang nicht über die „Kanalufer“ tritt
•
Säuberung der Gebirgsbäche von losem Material (Bäume, Äste und Geröll), das einen Murgang auslösen oder nähren kann
Wegen der Klimaerwärmung wird für die nächsten Jahrzehnte mit einer Zunahme von Murgängen gerechnet. Wenn hochalpine Permafrostböden und Blockgletscher auftauen, entsteht mehr mobilisierbares Material, das dann als Mure abgehen kann.
Datierung von Ereignissen
Bleiben die Ablagerungen von Murgängen als Murzungen und Murkegel erhalten, können sie
auf verschiedenen Wegen datiert und so der ungefähre Zeitpunkt eines einzelnen Murgangs
bestimmt werden. Die systematische Erfassung von möglichst vielen Murgangereignissen
kann so Informationen über die generelle Muranfälligkeit sowie über die Klimageschichte
eines Gebiets liefern. Häufig wird das Alter der Bäume bestimmt, die auf Murzungen und kegeln wachsen. Möglich sind auch Untersuchungen der Sedimente. Es wurden deutlich
Unterschiede in der Häufigkeit von Murgängen festgestellt. Ein Zusammenhang zwischen
Mur-Aktivität und Großklima konnte jedoch nicht festgestellt werden, so dass anthropogene
Ursachen vermutet werden.
Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Murgang, 23.01.2013
29
Hinweise auf weiterführende Literatur
•
Bionik - der Natur abgeschaut: Themenheft der Zeitschrift „Sache Wort Zahl - Lehren
und Lernen in der Grundschule Heft 130. - Aulis Hallbergmoos, 2012
Neben anderen interessanten Beiträgen werden vielfältige Unterrichtsideen zur kindgemäßen und handlungsaktiven Auseinandersetzung mit der Struktur von Bienenwaben gegeben.
•
Chaos und Strukturbildung: Themenheft der Zeitschrift „Naturwissenschaften im Unterricht Physik“ Heft 94. - Friedrich Seelze, 2006
Neben den fachlichen Grundlagen und didaktischen Anregungen wird eine Reihe von
Experimenten zur Strukturbildung in Granulaten und in Strömungen beschrieben.
•
Ellenbracht, Friedhelm; Langenbruch, Brigitte: Architektur des Lebens. - Volk und
Wissen Berlin, 2003
Dieses Schülerarbeitsmaterial stellt die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Bildung von Muster und Strukturen sehr anschaulich dar. Die mathematische Modellierung der Probleme geht nicht über den Mathematikunterricht der Sekundarstufe I hinaus, ist anregend, aber anspruchsvoll.
•
Greschik, Stefan: Das Chaos und seine Ordnung. - dtv München, 1998
In diesem kleinen Buch werden populärwissenschaftlich die wichtigsten Begriffe und
Phänomene des Deterministischen Chaos und der Selbstorganisation dargestellt und
an zahlreichen Beispielen erläutert.
•
Korneck, Friederike: Laminare Strömungen, Turbulenz und Strukturbildung in Flüssigkeiten (Lehrerhandreichung). - In: Naturwissenschaften im Unterricht, 2006
kann per Mail bei der Autorin angefordert werden: [email protected]
Für den gutwilligen Leser werden auf relativ hohem theoretischem Niveau die physikalischen Grundlagen der Strukturbildung in Strömungen erklärt. Ergänzend werden
viele Experimente und technische Anwendungen aufgeführt.
•
Pongs, Dennis: Experimentelle Zugänge zur Strukturbildung. - Münster 2002
Download unter: http://go.to/lordmigt
In dieser Wissenschaftlichen Hausarbeit für das erste Staatsexamen beschreibt Herr
Pongs sehr ausführlich die Durchführung, Auswertung von 14 Experimenten zu
Strukturbildung für den Physikunterricht in der Sekundarstufe I. Sehr gründlich erklärt
er dabei die zu beobachtenden Phänomene.
•
Wilke, Hans-Joachim (Hrsg.): Physikalische Schulexperimente Band 1. - Volk und
Wissen Berlin, 1997
Neben vielen anderen Experimenten werden Untersuchungen von Strömungen in
Flüssigkeiten und Gasen sehr genau beschrieben.
30
Bildquellenverzeichnis
Seite
3
Motiv
Quelle/Autor
Parkett
KMJ
Sonnenblume
Asio otus
Kreuzblüte
alvesgaspa
Schneekristall
Ben Zin
Kochsalz-Kristall
Walter J. Pilsak
Chromalaun-Kristall
M. Zellner
Luftwirbel
NASA
Konvektionszellen
NASA
Soliton
Flickr
6
Bernard-Zelle 1
Jürgen Godau
7
Bernard-Zellen 2
Denis Pongs
Tiefdruckgebiet
Nasa
Wirbelstraße
http://aerodynamik.userweb.mwn.de/bilder/wirbelstrasse.jpg
Sandrippel
Rosino
Farnblatt
Ulrich Schwebinghaus
9
Sandhaufen
Anton
12
Schneeflocken
Wilson Bentley
13
Mantel
Harald Schulz
14
Pythagorasbaum
http://www.was-ist.ch/attachments/strauch1.png
15
Fußweg
http://media.aisonline.de/media/65842/images/11966815px600x338.jpg
16
Zebra 1
André Karwath aka
Zebra 2
Rainbirder
17
Fingerabdruck
http://www.kinderpolizei.at/kids/spuernase/fingerabdruck.jpg
18
Apfelblüte
http://www.hoteltiefenbrunn.com/images/stories/apfelbluete
%5b1%5d.jpg
Kastanienblatt
ttp://www.rhoenhotelloewen.de/Animationen/herbst/herbst_kastanie_blatt.gif
21
Paranusseffekt
Denis Pongs
26
Schneelawine
Scientif38
27
Schneelawine
ElHeinicken
28
Murgang
Egon Schmidt
4
8
31

KSP Muster - Bildungsserver Sachsen

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