Dieses Unterrichtsmaterial führt Schülerinnen und Schüler in die Grundlagen der Tabellenkalkulation ein. In zwei Stufen üben sie den Aufbau eines Tabellenblattes, die Arbeit mit Zellen und Zellbereichen, die Anwendung statistischer Funktionen und vieles mehr.Die Materialien wurden vom MINT EC e. V. in Zusammenarbeit mit dem Learning Lab der Universität Duisburg-Essen entwickelt. Der Verein MINT-EC ist eine Initiative der Wirtschaft zur Förderung mathematisch-naturwissenschaftlicher Gymnasien und zur Qualifizierung von MINT-Nachwuchskräften in Deutschland. Das Duisburg Learning Lab dient der Ausbildung von Studierenden und Lehrenden im Bereich Konzeption und Entwicklung mediengestützter Lernangebote.Die Schülerinnen und Schüler erläutern den Aufbau eines Tabellenblattes und adressieren Zellen. passen Spaltenbreite und Zeilenhöhe an die Bedürfnisse an. tragen Inhalte in Zellen wie Texte und Zahlen ein und formatieren diese grundlegend (Schriftart, Schriftattribute). erklären Fehler bei Formeln und beim Kopieren und korrigieren diese sachgerecht. sortieren Tabellen nach verschiedenen Kriterien. verwenden einfache arithmetische und statistische Funktionen (SUMME, MIN, MAX, MEDIAN, arithmetisches MITTEL). verwenden den Datentyp Prozent richtig und berechnen relative Häufigkeiten. erstellen, formatieren und erläutern zu Daten grafische Darstellungen und wenden diese sachgerecht an (Säulen- und Balkendiagramm, Kreisdiagramm). Materialien zur Informationstechnischen Grundbildung Beiträge und Resultate aus den vielfältigen Aktivitäten des nationalen Excellence-Schulnetzwerks MINT-EC und seiner Netzwerkschulen werden in der Schriftenreihe "Materialien zur Informationstechnischen Grundbildung" zusammengeführt und veröffentlicht. In verschiedenen Themenclustern erarbeiten MINT-EC-Lehrkräfte und Schulleitungen Schul- und Unterrichtskonzepte, entwickeln diese weiter und nehmen dabei neue Impulse aus Wissenschaft und Forschung und aus aktuellen Herausforderungen der schulischen Praxis auf.

In der Unterrichtseinheit zum Thema "Lokale Agenda 2030: Wassermangel in Deutschland" beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler nicht nur mit der Agenda 2030 und den 17 Nachhaltigkeitszielen der Vereinten Nationen, sondern setzen sie im Rahmen eines Mini-Projektes auch in konkrete Handlungsempfehlungen zu einem Ziel um.Diese Unterrichtseinheit will den Lernenden nicht nur die Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen vermitteln, sondern sie auch dazu anleiten, diese praxisnah zu reflektieren und in ihrer konkreten Lebenswirklichkeit anzuwenden. Wissen wird damit zum Verstehen und Handeln. Genau dies ist die Intention der Agenda 2030 . Die Schülerinnen und Schüler erarbeiten ihre Vorschläge und Ideen selbstständig und arbeitsteilig. Die Unterrichtseinheit könnte komplett im Fernunterricht durchgeführt werden, ist aber im Präsenzunterricht sicherlich eindrücklicher und wirkungsvoller. Das Thema "Agenda 2030" im Unterricht Nachhaltigkeit wird das gesellschaftliche und politische Leitthema der nächsten Jahrzehnte sein. Nur, wenn es gelingt, den fortschreitenden Klimawandel durch eine Verringerung der Eingriffe in die Umwelt noch abzumildern, wird die Menschheit ihre existenzielle Bedrohung noch abwenden können. Nicht nur Jugendliche fordern deshalb weltweit eine Veränderung von Produktion und Konsum, selbst große Unternehmen und internationale Investierende haben diese Notwendigkeit inzwischen erkannt. Die Vereinten Nationen haben in ihrer Agenda 2030 nun 17 Ziele formuliert, auf die alle Staaten, alle Unternehmen und alle Menschen auf dieser Erde hinarbeiten sollten, um das Überleben der Menschheit und gesellschaftlichen Fortschritt sicherzustellen. Die vorliegende Unterrichtseinheit lässt die Schülerinnen und Schüler Teil dieser weltweiten Bewegung werden und fordert von ihnen, für ihre Region und ihr Land ganz konkrete Vorschläge zu machen, wie eines der UN-Nachhaltigkeitsziele, die Versorgung mit sauberem und bezahlbarem Trinkwasser, sichergestellt werden kann. Didaktische Analyse Die Unterrichtseinheit ist als Mini-Projekt gestaltet. Die Schülerinnen und Schüler setzen sich selbstständig und eigenverantwortlich mit den Problemen Klimawandel und mögliche Wasserknappheit auseinander und kommen gemeinsam zu Lösungsvorschlägen, die dann öffentlich präsentiert und zur Diskussion gestellt werden. Da der zeitliche Aufwand nicht zu groß werden soll, sind Projektziel, Arbeitsgruppen und Projektablauf bereits vorgegeben. Auch auf die klassische Projektstruktur mit einer Leitungs- beziehungsweise Steuergruppe sollte verzichtet werden. Diese kann problemlos durch tägliche Meilensteinsitzungen ersetzt werden, auf denen die Gesamtgruppe alle relevanten Entscheidungen gemeinsam trifft. Das fördert zudem die Identifikation mit dem Projekt. Die Unterrichtseinheit erfüllt damit aktuelle didaktische und methodische Wunschvorstellungen beziehungsweise Ansprüche: Eigenständigkeit, Handlungsorientierung, Meinungsbildung, sinnvoller Medieneinsatz und gesellschaftliche Relevanz. Methodische Analyse Die Unterrichtseinheit kann zu 100 Prozent online stattfinden. Die Schülerinnen und Schüler müssen nur über Internetanschluss und Endgeräte verfügen. Zentral ist wie bei jedem Fernunterricht ein gemeinsames Netzlaufwerk für kollaborative Produkterstellung (Teams, Lernplattformen, Intranet, notfalls auch Padlet oder Miro). Außerdem braucht man eine Kommunikationsplattform für den Unterricht und die Zusammenarbeit zwischen den Lernenden. Dies kann eine Videoplattform (zum Beispiel Zoom) oder eine andere Kommunikationsplattform (zum Beispiel Slack) sein. Wesentlich ist, dass die Lernergebnisse von den Schülerinnen und Schülern eigenständig und konstruktivistisch in einem digitalen Umfeld, mit digitalen Mitteln entwickelt und in digitaler Form präsentiert und kommentiert werden. Selbst, wenn die Unterrichtseinheit ausschließlich im Präsenzunterricht stattfinden soll, kann sie nur effektiv und zeitnah durchgeführt werden, wenn die Schülerinnen und Schüler durchgängig digital arbeiten. Alle Arbeitsergebnisse (Lösungsvorschläge der Arbeitsgruppen, Dokumentation der Meilensteinbeschlüsse, Grafiken, Fotos, Texte und Links für die Abschlusspräsentation, Endfassung der Präsentation, Passwörter für die Social Media-Kanäle) müssen allen Projektteilnehmenden in Dateiform in einem gemeinsamen Netzlaufwerk zur Verfügung stehen und von allen verwendet und bearbeitet werden können. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler kennen und erläutern die Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen und die Agenda 2030. wissen um den Zusammenhang von Klimaveränderung und Trinkwasservorkommen. stellen konkrete, praktisch umsetzbare Nachhaltigkeitsschritte zur Sicherung der Trinkwasserversorgung in Deutschland vor und begründen diese. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren und analysieren Informationen im Internet. werten Diagramme aus. entnehmen Texten Informationen. kooperieren online in Videokonferenzen und gemeinsamen Netzlaufwerken und posten ihre Projektergebnisse in sozialen Netzwerken. führen eine Online-Präsentation ihrer Vorschläge mittels Videokonferenz durch. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren, entscheiden und präsentieren im Team. präsentieren und begründen ihre persönliche Meinung in der Gruppe und tragen Meinungsverschiedenheiten in der Gruppe aus. arbeiten kollaborativ und zielführend an einem gemeinsamen medialen Endprodukt.

Die als Fixsterne bezeichneten Himmelsobjekte erweisen sich bei näherem Hinsehen durchaus nicht als ortsfest, sondern zeigen eine "Eigenbewegung". Für sonnennahe Sterne lässt sich diese Bewegung mit einfachen astrometrischen Methoden erfassen. Auch Astronomie-Neulinge können mit den hier zur Verfügung gestellten Materialien motivierende Ergebnisse erzielen.Zunächst werden einige Grundlagen zu den Themen sonnennahe Sterne, Himmelskoordinaten, Sternhelligkeiten und zum Begriff der Parallaxe erläutert. Diese sind notwendig zum Verständnis der darauf folgenden praktischen Übung: CCD-Bilder von Teegarden's Star, die im Abstand von einem Jahr aufgenommenen wurden, werden mit der kostenlosen Software Fitswork bearbeitet. Anschließend wird aus den Bildern die Positionsänderung des betrachteten Sterns ermittelt.Andreas Gerhardus und Steffen Straub haben das hier vorgestellte Verfahren zur Bestimmung der Eigenbewegung von Sternen während ihres Schülerpraktikums am Argelander-Institut für Astronomie der Universität Bonn unter Anleitung von Dr. Michael Geffert erlernt. Sie praktizierten die Methode am Beispiel von Teegarden's Star und erzielten gute und leicht nachvollziehbare Ergebnisse. Aus diesem Grund stellen wir hier das Projekt "Messung der Eigenbewegung von Teegarden's Star" astronomisch interessierten Lehrerinnen und Lehrern als Anregung für den eigenen Unterricht oder für die Bearbeitung in der Astronomie-AG vor. Die dafür benötigten CCD-Bilder wurden uns freundlicherweise von Dr. Michael Geffert zur Verfügung gestellt. Fachliche Voraussetzungen Zu Beginn der Unterrichtseinheit werden einige elementare astronomische Begriffe eingeführt, die im weiteren Verlauf hilfreich oder erforderlich sind. Bezugssystem und Positionsberechnung Der Berechnung der Eigenbewegung von Teegardens' Star auf der Grundlage von CCD-Bildern geht die Positionsbestimmung "unbewegter" Sterne eines Bezugssystems voraus. Darstellung der Ergebnisse und Fehlerbetrachtung Die Rektaszensions- und Deklinationskoordinaten von Teegarden's Star und eines Vergleichssterns ohne messbare Eigenbewegung werden in Diagrammen dargestellt. Die Schülerinnen und Schüler sollen verschiedene sonnennahe Sterne kennen lernen. die Begriffe Parallaxe und Eigenbewegung verstehen. aus CCD-Aufnahmen die Koordinaten von Sternen ermitteln. die Eigenbewegung von Teegarden's Star aus vorhandenen CCD-Aufnahmen bestimmen. Diagramme erstellen, in denen die ermittelte Eigenbewegung veranschaulicht wird. Um die Positionsbestimmung am Himmel zu ermöglichen, ist die Himmelskugel genauso wie die Erde in ein Gradnetz unterteilt (Abb. 1). Dieses Gradnetz ist fest mit der Himmelskugel verbunden, es rotiert also scheinbar. Den Längenkreisen auf der Erde entsprechen die Rektaszensionskreise am Himmel, den Breitenkreisen die Deklinationskreise. Erste Schritte zur Orientierung am Sternhimmel In diesem Artikel finden Sie weitere Informationen, Anregungen und Materialien zur Orientierung am Himmel. Deklination Die Deklination (DE) wird in Winkelgraden von -90 Grad bis +90 Grad gemessen. Weil bei der Bestimmung der Eigenbewegung von Sternen sehr kleine Winkel betrachtet werden, müssen die Schülerinnen und Schülern auch die Begriffe "Bogenminute" (1 Bogenminute = 1/60 Grad) und "Bogensekunde" (1 Bogensekunde = 1/60 Bogenminute) kennen. Rektaszension Die Rektaszension (RA) wird traditionell nicht in Grad sondern in Stunden, Minuten und Sekunden angegeben. Dabei entsprechen 360 Grad den 24 Stunden eines Tages und somit 15 Grad einer Stunde. Eine Minute in Rektaszension entspricht damit (15/60) = 0,25 Grad. Eine Sekunde in Rektaszension ist gleichbedeutend mit (15/3.600) = (1/240) Grad. Die Umrechnung der Rektaszension (RA = hh.mm.ss) in Winkelgrad erfolgt gemäß der Formel: Winkel (in Grad) = 15 [hh+(1/60)**mm+(1/3.600) ss] Hierbei stehen hh für Stunden, mm für Minuten und ss für Sekunden. Diese sind nicht mit Bogenminuten beziehungsweise Bogensekunden zu verwechseln. Die Bewegung der Erde um die Sonne hat zur Folge, dass ein erdnaher Stern im Verlauf eines Jahres seine scheinbare Position vor dem Hintergrund weit entfernter Fixsterne verändert. Dabei ist die Parallaxe des erdnahen Sterns definiert als halber Öffnungswinkel des Kegels, dessen Mantel der Sehstrahl von der Erde zum nahen Stern in einem Jahr festlegt. Abb.2 veranschaulicht die Verschiebung der scheinbaren Sternposition innerhalb eines halben Jahres. Aus der Parallaxe eines Sterns, die man mithilfe von Fotos bestimmt, die im Abstand von einem halben Jahr aufgenommen werden, lässt sich mit trigonometrischen Verfahren unter Kenntnis des Abstands Sonne-Erde die Entfernung des Sterns zur Sonne beziehungsweise zur Erde berechnen. Das Phänomen der Parallaxe kann man Schülerinnen und Schülern mit einem einfachen Experiment sehr gut veranschaulichen: Hält man einen Daumen in Augenhöhe und schließt abwechselnd das linke und das rechte Auge, so scheint der Daumen seine Position vor dem Hintergrund zu verändern. Dabei nimmt die Parallaxe mit zunehmender Entfernung des Daumens vom Auge ab. Im Gegensatz zur Parallaxe hat die Eigenbewegung eines Sterns ihre Ursache in einer tatsächlichen Veränderung des Sternenortes. Weil der Effekt der Eigenbewegung sehr klein ist, wird sie in Deklination und Rektaszension in Bogensekunden angegeben. Die Messung der Eigenbewegung von Sternen erfolgt mithilfe von Fotografien, die im Abstand von ganzzahligen Vielfachen eines Jahres aufgenommen werden. Abb. 3 zeigt ein Beispiel: Die beiden Bilder wurden im Abstand mehrerer Jahre aufgenommen. Deutlich ist die Positionsänderung des markierten Sterns vor dem Hintergrund zu erkennen. Die Erde befindet sich nach einem Jahr wieder am selben Ort. Deshalb wird das Ergebnis nicht durch die parallaxenbedingte Bewegung verfälscht. Scheinbare Helligkeit ( m ) Die scheinbare Helligkeit eines Sterns ist diejenige, die ein Beobachter auf der Erde registriert. Sie wird in Größenklassen oder Magnituden angegeben (Symbol: hochgestellter Kleinbuchstabe m). Dabei leuchten die Sterne umso schwächer, je höher ihre Größenklasse ist. Die Magnitudenskala ist logarithmisch eingeteilt: Ein Stern erster Größenklasse ist definitionsgemäß 100-mal lichtstärker als einer der sechsten Klasse. Weil nun 100 = 2,512 5 gilt, bedeutet eine Größenklasse Unterschied also ein Helligkeitsverhältnis von 2,512. Die scheinbare Helligkeit kann auch Werte annehmen, die kleiner als Null sind. Der Nullpunkt der Magnitudenskala entspricht der Helligkeit von Alpha Centauri, dem sonnennächsten Stern. Das menschliche Auge kann maximal Objekte bis zu einer scheinbaren Helligkeit der sechsten Größenklasse erkennen. Es ist zu beachten, dass die Lichtintensität der Sterne mit der Entfernung natürlich abnimmt. Absolute Helligkeit ( M ) Um Sternhelligkeiten besser vergleichen zu können, wurde die absolute Helligkeit eingeführt (Symbol: hochgestellter Großbuchstabe M). Darunter versteht man die Helligkeit eines Sterns, die auf der Erde wahrgenommen würde, wenn er sich in einer genormten Entfernung von 10 Parsec befände (1 Parsec = 3,3 Lichtjahre). Die folgende Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen scheinbarer Helligkeit m und absoluter Helligkeit M sowie der Entfernung r (in Parsec): m - M = -5 + 5 lg(r) Die Erarbeitung von Informationen zum Thema "Sonnennahe Sterne" eignet sich sehr gut zur selbstständigen Schülertätigkeit in Form einer Internet-Recherche. Dabei sollen Informationen über verschiedene sonnennahe Sterne zusammengetragen werden. Es ist empfehlenswert, den Lernenden unter anderem die drei sonnennächsten Sterne als Ziel der Recherche vorzugeben: Alpha Centauri Barnards Pfeilstern Wolf 359 Sirius und Teegarden's Star Weitere wichtige sonnennahe Sterne sind der bekannte Sirius (Fixstern mit der größten scheinbaren Helligkeit) auf Platz 6 und Teegarden's Star auf Platz 23 in der Entfernungsskala. Im Idealfall finden die Schülerinnen und Schüler auch heraus, warum Teegarden's Star bei seiner Entdeckung im Jahr 2003 für großes Aufsehen sorgte: Seine Entfernung wurde zunächst fälschlicherweise auf 7,5 Lichtjahre geschätzt, womit er der Stern mit der drittgeringsten Entfernung zur Sonne gewesen wäre. Die wichtigsten "Eckdaten" sonnennaher Sterne haben wir in dem Dokument "sonnennahe_sterne.pdf" zusammengestellt. Bei ihren Recherchen nach sonnennahen Sternen werden die Schülerinnen und Schüler häufig auf den Begriff "Roter Zwerg" stoßen. Dieser Begriff kann auch direkt als Rechercheziel vorgegeben werden. Lernende kann dieses Thema motivieren, sich auch über die Unterrichtseinheit hinaus mit der Astronomie zu beschäftigen. Die Größe von Roten Zwergen im Vergleich zu anderer Sternentypen veranschaulicht Abb. 4. Rote Zwerge zeichnen sich durch die folgenden Eigenschaften aus: Rote Zwerge sind sehr kleine Sterne. Die Kernfusion in ihrem Inneren ist nur schwach. Die rote Farbe entsteht, weil ihr Strahlungsmaximum im roten Spektralbereich liegt (Spektralklasse M). Die Oberflächentemperatur ist gering (2.200-3.800 Grad Kelvin; die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt etwa 5.800 Grad Kelvin). Rote Zwerge haben eine enorme Lebensdauer von bis zu 13 Milliarden Jahren. Etwa 70 Prozent der Sterne in der Milchstraße sind Rote Zwerge. Notwendigkeit eines Bezugssystems Zum prinzipiellen Nachweis der Eigenbewegung von Teegarden's Star ist zunächst die Festlegung eines Bezugssystems aus Sternen erforderlich, welche bekanntermaßen (Literaturangaben) eine zu vernachlässigende Eigenbewegung aufweisen. Dann ist zu entscheiden, ob Teegarden's Star sich relativ zu den Sternen des Bezugssystems messbar bewegt. Zum Ausschluss systematischer Fehler im Auswerteverfahren wird die an Teegarden's Star durchgeführte Prozedur zur Messung der Eigenbewegung zusätzlich an einem Vergleichsstern wiederholt, der gemäß der Literatur keine Eigenbewegung zeigen sollte. CCD-Bilder und Bildbearbeitung Die hier zum Download zur Verfügung gestellten CCD-Bilder ("einzelbilder.zip") sind - sortiert nach den Aufnahmezeitpunkten - auf vier Ordner verteilt. Alle Bilder sind bereits bezüglich Dunkelbildsubtraktion und Flat-Field korrigiert. Sie haben die in der Astronomie übliche Orientierung: Norden ist oben, Westen ist rechts. Die im Folgenden beschriebene Bildbearbeitungs- und Auswerteprozedur wird von den Lernenden für alle Bilder aus jedem der vier Ordner separat durchgeführt. Sämtliche Schritte der Bildbearbeitung erfolgen mit der kostenlosen Software Fitswork. Zur Rauschminderung und zum Ausgleich von Bildungenauigkeiten durch Luftunruhen werden alle Bilder eines Ordners aus "einzelbilder.zip", also alle Aufnahmen eines bestimmten Aufnahmedatums, addiert und zu einem Summenbild gemittelt. Dabei geht man wie folgt vor: Nach dem Start des Programms öffnet man die ersten beiden Bilder eines Ordners. Diese werden nun addiert: Dazu sucht man sich zwei gut erkennbare Sterne, die auf beiden Bilder vorhanden sind. Man markiert nun nacheinander in beiden Bildern den ersten Stern, indem man bei gedrückter linker Maustaste einen kleinen rechteckigen Rahmen um den Stern zieht. Beide Rahmen erscheinen in derselben Farbe. Man wiederholt die Prozedur in beiden Bildern für den zweiten Stern. Beide Sterne sollten möglichst weit auseinander liegen, denn sie dienen der punktgenauen Anpassung und Überlagerung beider Bilder. Abb. 5 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt den entsprechenden Screenshot: Die beiden als Fixpunkte der Bildausrichtung gewählten Sterne sind durch farbige Rechtecke markiert. Dann wählt man im Menüpunkt "Bearbeiten" den Unterpunkt "Bild addieren (mit Verschiebung)". Das jetzt angezeigte Bild ist die Summe der ersten beiden Bilder. Zu diesem Summenbild addiert man schrittweise alle weiteren Bilder des jeweiligen Ordners. Auf beschriebene Weise gewinnt man aus jedem der vier Ordner ein Summenbild. Nur auf diesen vier Summenbildern basiert die weitere Auswertung. Wer die Prozedur des Addierens auslassen möchte, findet die fertigen Summenbilder im Downloadpaket "summenbilder.zip". Die Aufnahmezeitpunkte der Bilder sind an den jeweiligen Dateinamen erkennbar. Koordinaten der Bezugssterne Nach der Bildaddition gilt es nun, die Positionen von Teegarden's Star und des Vergleichssterns im System der Bezugssterne zu bestimmen. Die Koordinaten der Bezugssterne 1 bis 6 (grüne Ziffern in Abb. 6) sind in den Tabellen des Dokuments "bezuggssterne_positionsbestimmung.pdf" zu finden. Orientierung der Bilder Alle Bilder der Downloadmaterialien sind so orientiert, dass die langen, horizontalen Seiten parallel zu den Deklinationskreisen am Himmel liegen. Die kurzen, vertikalen Seiten sind entsprechend parallel zu den Rektaszensionskreisen. In allen Bildern nimmt die Rektaszension von rechts nach links, also von West nach Ost, zu. Orientierung des Koordinatensystems bei Fitswork Damit die im Folgenden beschriebene Positionsberechnung für Teegarden's Star überschaubar wird, weist man jedem in die Berechnung eingehenden Stern zunächst die Pixelkoordinaten X und Y zu. Bei Fitswork hat das (X/Y)-Koordinatensystem seinen Ursprung in der linken oberen Bildecke. Die X-Achse ist nach rechts, die Y-Achse nach unten orientiert. Ermittlung der Pixelkoordinaten eines Sterns Die Ermittlung der Pixelkoordinaten eines Sterns verläuft in Fitswork wie folgt: Man bewegt den Cursor, der in Abb. 7 (Platzhalter bitte anklicken) als gelbes Kreuz dargestellt ist, im auszuwertenden Bild auf den betrachteten Stern. In diesem Fall ist "Vergleichsstern 6" aus Abb. 6 markiert. Am rechten Bildrand erscheint oben eine Vergrößerung des Bildausschnitts um die Cursorposition. Darunter werden die Intensitätsverteilungen dieses Ausschnitts in X- und Y-Richtung dargestellt. Im Textfeld darunter steht bei "max" die größte Pixelhelligkeit im Bild des betrachteten Sterns. Am unteren Rand des Fitswork-Fensters erscheinen ganz links die X- und Y-Koordinaten der aktuellen Cursorposition, sowie die Helligkeit des Pixels am Ort des Cursors. Man bewegt den Cursor vorsichtig innerhalb des Sterns, bis der in der rechten Leiste angegebene maximale Intensitätswert angezeigt wird. Die zugehörigen Cursorkoordinaten X und Y sind die Pixelkoordinaten des Sterns, die in die weitere Auswertung eingehen. Koordinatenbestimmung In zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen Fotos werden die Positionen von Teegarden's Star im System unserer Bezugssterne bestimmt. Aus den unterschiedlichen Orten von Teegarden's Star schließt man dann auf die Geschwindigkeit seiner Eigenbewegung. Die Koordinaten von Teegarden's Star und von zwei Bezugssternen (siehe Abb. 7) werden im (X/Y)-Koordinatensystem der Software Fitswork - wie oben beschrieben - ermittelt. In Verbindung mit den Daten aus Tabelle 2 (siehe Datei "bezugssterne_positionsbestimmung.pdf") können dann die Koordinaten von Teegarden's Star im Rektaszension/Deklination-System berechnet werden. Der Vergleich der letzteren Koordinaten in beiden Bildern liefert in Verbindung mit dem Zeitintervall zwischen den beiden Aufnahmezeitpunkten für die Bilder die Geschwindigkeit der Eigenbewegung von Teegarden's Star. Auswertungsbeispiel Bei den Downloadmaterialien finden Sie ein detailliertes Auswertungsbeispiel (auswertung_beispiel.pdf). Die dargestellte Rechnung basiert auf den Summenbildern vom August der Jahre 2005 und 2007 und verwendet als Bezugssterne die Sterne 2 und 6 aus Abb. 6. Der so gewonnene Wert der Eigenbewegung (etwa 9 Bogensekunden pro Jahr) ist größer als der Literaturwert von 5,1 Bogensekunden pro Jahr. Auf diese Abweichung wird im Rahmen der "Fehlerbetrachtung" eingegangen. Vergleichsstern ohne Eigenbewegung Nach dem gleichen Verfahren bestimmt man die Positionen eines Vergleichssterns für die beiden relevanten Zeitpunkte. Wir schlagen dafür den in Abb. 6 entsprechend gekennzeichneten Stern vor. Er hat, wie alle Sterne im Bildfeld (außer Teegarden's Star), im Rahmen unserer Messgenauigkeit keine Eigenbewegung. Wenn sich für den Vergleichsstern aus beiden CCD-Bildern, die ja zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen wurden, mehr oder weniger die selben Koordinaten in Rektaszension und Deklination ergeben, ist davon auszugehen, dass das Auswerteverfahren fehlerfrei praktiziert wurde. Aufbau der Diagramme Damit man die ermittelte Eigenbewegung von Sternen direkt erkennen kann, werden die gemessenen Wertepaare (Messzeitpunkt/Rektaszension beziehungsweise Messzeitpunkt/Deklination) für Teegarden's Star und den Vergleichsstern in getrennten Diagrammen (für Rektaszension und für Deklination) aufgetragen. In jedem der Diagramme erscheinen vier Messpunkte für die vier verschiedenen Aufnahmezeiten (August 2005, August 2006, August 2007, Oktober 2007). Auf der X-Achse wird der Zeitraum von August 2005 bis Oktober 2007, und auf der Y-Achse jeweils die Rektaszension beziehungsweise Deklination in geeigneten Intervallen aufgetragen. Eigenbewegung von Teegarden's Star Die ersten drei Messpunkte für Teegarden's Star (Abb. 8) liegen in beiden Diagrammen nahezu auf einer Geraden. Das bedeutet, dass der Stern seine Position mit konstanter Geschwindigkeit verändert. Der vierte Messpunkt muss in den Diagrammen von dem erhaltenen linearen Graphen abweichen: Weil die ihm zugrunde liegenden Bilder statt im August im Oktober aufgenommen wurden, werden die Messwerte hier durch den Parallaxeneffekt verfälscht. Vergleichsstern ohne Eigenbewegung Beim Vergleichsstern (Abb. 9) liegen alle Messpunkte in beiden Diagrammen auf nahezu waagerechten Geraden. Der gewählte Vergleichsstern besitzt keine messbare Eigenbewegung. Dies gilt auch für den jeweils vierten Messpunkt, weil sich der Effekt der Parallaxe aufgrund der großen Entfernung des Sterns nicht bemerkbar macht. Während unseres Praktikums im Argelander-Institut für Astronomie in Bonn hatten wir genug Zeit für die Auswertung einer wesentlich größeren Datenmenge. Pro Aufnahmezeitpunkt mittelten wir bis zu 50 Einzelaufnahmen. Die Berechnungen der Koordinaten für Teegarden's Star wurden für jedes Summenbild auf der Basis mehrerer Paare von Bezugssternen durchgeführt. Bei sechs Bezugssternen gibt es für jeden Aufnahmezeitpunkt "sechs über zwei", also 15 Möglichkeiten. Wir verwendeten dazu die leider nicht kostenfreie Software Astroart. Als Mittelwert zahlreicher Einzelrechnungen ermittelten wir für die Eigenbewegung von Teegarden's Star einen Wert von 5 Bogensekunden pro Jahr. Dieser Wert kommt dem Literaturwert von 5,1 Bogensekunden pro Jahr recht nahe. Er ist durchaus mit den oben genannten 9 Bogensekunden pro Jahr verträglich, wenn man bedenkt, dass dieses Ergebnis nur auf einer von etwa 45 möglichen Auswertungen beruht. Um zuverlässigere Werte für die Eigenbewegung zu erhalten, ist also eine Vielzahl von Einzelrechnungen nach dem oben beschriebenen Verfahren durchzuführen. Die Ergebnisse der Einzelrechnungen sind dann zu mitteln. Hier setzt der erforderliche Zeitaufwand im Unterricht natürlich Grenzen.

Auf der Basis digitalisierter Fotoplatten aus der Sammlung der Sternwarte Sonneberg (Thüringen) erstellen und interpretieren die Schülerinnen und Schüler Lichtkurven veränderlicher Sterne. Und natürlich werden Veränderliche auch im Original beobachtet.Die bereits 1926 gestartete "Sonneberger Himmelsüberwachung" (Sky Patrol) beruht auf der Idee des deutschen Astronoms Paul Guthnick (1879-1947), den gesamten nördlichen Sternenhimmel per Astrofotografie zu überwachen. Nach mehr als 80 Jahren fotografischer Überwachung des Himmels lagern mehr als 275.000 Fotoplatten im Sonneberger Archiv - der zweitgrößten Sammlung der Welt - die die Geschichte des Lichtwechsels der bei etwa 50 Grad nördlicher Breite sichtbaren Himmelsobjekte (bis zur 14. Größenklasse) dokumentieren. Diese ?Chronik des Sternenhimmels? ist ein einmaliger Datenschatz, der noch viele Geheimnisse in sich birgt. Auf seiner Basis erstellen Schülerinnen und Schüler Lichtkurven eines veränderlichen Sterns vom Mira-Typ. Sie vergleichen diese mit Daten von Amateurastronomen aus dem Internet und planen eigene Beobachtungen von Mira und Algol. Das eigene Tun, die Arbeit mit Originaldaten und das Erfolgserlebnis sollen die Motivation und das Interesse an den Naturwissenschaften und der Mathematik fördern.Die an der Sternwarte Sonneberg seit 2004 durchgeführte Digitalisierung von Fotoplatten der Sonneberger Himmelsüberwachung eröffnet die Möglichkeit, Himmelsaufnahmen an jedem Computer "in die Hand zu nehmen" und Veränderlichenforschung in jeder Schule zu betreiben. Für das hier vorgestellte Projekt stellte die Sternwarte eine Auswahl der Plattenscans zur Verfügung. Das Projekt basiert auf didaktischen Materialien, die im Rahmen des Projektes Wissenschaft in die Schulen! entwickelt wurden. Der Einsatz der Argelander Stufenschätzmethode wurde im Rahmen eines Astronomiekurses der deutschen Schülerakademie (Thema: "Lichtsignale aus dem All - Veränderliche Sterne", Marburg 2005) und bei Lehrerfortbildungen (Sonneberg 2004, MNU Karlsruhe 2006) erfolgreich getestet. Methoden, Fertigkeiten und Computereinsatz Im Rahmen des Projektes wird die Nutzung des Computers als nützliches Werkzeug auf vielfältige Art gefördert. In der Astronomie beginnt (fast alles) mit der Beobachtung Mit Sternkarten oder Planetariumsprogrammen werden Positionen und Sichtbarkeiten von Veränderlichen bestimmt. Der Lichtwechsel von Veränderlichen Lichtkurvendiagramme und Ursachen der Veränderlichkeit von Sternen werden vorgestellt und mithilfe einfacher Modelle erklärt. Der fotografierte Himmel Original-Fotoplatten aus dem Sonneberger Archiv werden untersucht. Ein Veränderlicher wird aufgespürt und Helligkeitsschätzungen werden vorbereitet. Die Argelander Stufenschätzmethode Aus 23 Stufenschätzungen erstellen die Schülerinnen und Schüler eine beispielhafte Lichtkurve des Veränderlichen R Cassiopeia. Der Veränderliche R Cassiopeia Auf der Basis von 83 Schätzfeldern werden das Stufenwert-Helligkeit-Diagramm und die Lichtkurve von R Cas dargestellt (Millimeterpapier oder Tabellenkalkulation). Was uns die Lichtkurve verrät Lichtkurven von R Cassiopeia werden interpretiert und verglichen. Details zu den Mira-Sternen und den Ursachen ihres Lichtwechsels werden berichtet. Rückkehr zur Beobachtung: Mira und Algol Die Schülerinnen und Schüler planen die Beobachtung der Veränderlichen Sterne Mira und Algol. Die Schülerinnen und Schüler sollen basierend auf digitalisierten Fotoplatten der Sternwarte Sonneberg die Lichtkurve eines veränderlichen Sterns erstellen und dabei die Argelander Stufenschätzmethode anwenden. eine wissenschaftliche Arbeitsweise erleben, die über Jahrzehnte im Zentrum der Forschungsarbeit vieler Sternwarten stand. sich mit der Messfehlerproblematik auseinandersetzen. die Typen Veränderlicher Sterne kennen lernen und die Ursachen der Veränderlichkeit verstehen. Veränderliche Sterne beobachten. Schätzmethode und Messfehlerproblematik Das hier vorgestellte Projekt knüpft an verschiedene "Wissensbereiche" an und trainiert vielfältige Fähigkeiten und Fertigkeiten der Schülerinnen und Schüler. Ein zentraler Punkt ist die Vermittlung einer grundlegenden Methode zur Helligkeitsbestimmung von Sternen - der Argelander Stufenschätzmethode. Hierbei wird das Prinzip der Relativmessung angewandt und verdeutlicht. Die Funktion des Auges als "Messinstrument" rückt ins Bewusstsein der Schülerinnen und Schüler. Die Subjektivität des Augenmaßes ist gut geeignet, die Messfehlerproblematik (subjektive Fehler) zu belegen. Physikalisch-mathematische Denkweisen Die Frage nach den Ursachen des Lichtwechsels der Sterne bedarf physikalischer und mathematischer Denkweisen. Das Projektergebnis ist eine Lichtkurve, die den zeitlichen Verlauf der Sternhelligkeit präsentiert. Diese Kurve gilt es zu interpretieren, wobei grundlegende Begriffe wie Periode und Amplitude genutzt werden müssen. Mustererkennung und Datenauthentizität Es sei auch erwähnt, dass die Arbeit mit Bildern von Sternfeldern die Fähigkeit der Mustererkennung schult. Der Umgang mit wissenschaftlichen Originaldaten vermittelt Authentizität, die wichtig für die "Anerkennung" des in der Schule Gelernten ist, und ist zudem ein Motivationsfaktor für die Schülerinnen und Schüler. Der Computereinsatz spielt in dem Projekt eine zentrale Rolle. Die zu untersuchenden Sternfelder liegen als Bilddateien vor, wobei die Helligkeitsstufen der Sterne am Bildschirm geschätzt werden können. Weitere Daten können über das Internet (Sternwarte Sonneberg) abgerufen werden. Die Datenauswertung kann durch Excel oder andere Tabellenkalkulationsprogramme unterstützt werden. Zur Interpretation der Ergebnisse kann auf so genannte Lichtkurvengeneratoren zurückgegriffen werde, die aus Daten von verschiedenen Amateurbeobachtern Lichtkurven für viele Veränderliche erstellen. Zur Veranschaulichung der Ursachen der Veränderlichkeit eignen sich Animationen. Zur Planung der Beobachtung von Veränderlichen werden Planetariumsprogramme, Datumsrechner (Umrechnung zwischen Julianischem und Gregorianischem Datum) und verschiedene Informationsseiten (zum Beispiel vorausberechnete Maxima und Minima von bestimmten Veränderlichen) aus dem Internet genutzt. Einstieg und Motivation Die Lernenden sind mit der Definition eines Stern und den Sternbild- und Sternbezeichnungen bereits vertraut. Sie erfahren, dass es im Sternbild Walfisch einen Stern mit dem Namen Mira gibt, was "Die Wunderbare" bedeutet. Per Beamer oder Overheadfolie wird eine historische Karte des Sternbildes gezeigt und gefragt, warum der Stern so heißen könnte. Recherche Die Jugendlichen recherchieren Informationen zu Mira im Internet oder nutzen ausgelegte Printmaterialien (Bücher, Artikel). Sie lernen, dass bestimmte Sterne ihre Helligkeit auch in kurzen Zeiträumen ändern und können diese Zeiträume von langfristigen Änderungen, die mit der Sternentwicklung zusammen hängen, abgrenzen. Erste Bekanntschaft mit den Veränderlichen Die Schülerinnen und Schüler suchen mithilfe detaillierter Sternkarten oder eines Planetariumsprogramms die Positionen der Veränderlichen Sterne Omikron Ceti (Mira), Beta Persei, Delta Cephei, Alpha Orionis und Beta Lyrae auf und tragen diese in die unbeschriftete Sternkarte des Arbeitsblattes ein (sternkarte_veraenderliche.pdf). Sie bestimmen die Jahreszeiten, in denen diese Sterne am Abendhimmel gut zu beobachten sind. Dies kann wiederum mit einem Planetariumsprogramm oder mit einer einfachen drehbaren Sternkarte erfolgen. Die Jugendlichen werden aufgefordert, die zum Zeitpunkt des Projektes beobachtbaren "Originale" auch am Abendhimmel - einzeln oder mit der Gruppe - aufzusuchen. Definition der Veränderlichen Veränderliche Sterne ändern ihre Helligkeit im Laufe der Zeit (Millisekunden bis Jahrhunderte). Die Amplituden liegen zwischen 0,001 und 20 Größenordnungen (mag = magnitudo, Scheinbare Helligkeit). In diesem Sinne ist auch unsere Sonne ein Veränderlicher Stern (11 Jahre, 0,004 mag = 0,4 Prozent). Historisches Der erste Veränderliche wurde im Jahre 1596 durch den in Ostfriesland lebenden Pfarrer David Fabricius entdeckt. Er beobachtete im Sternbild Cetus (Walfisch) einen Stern, den er Monate später nicht mehr und nach weiteren Monaten wieder deutlich sehen konnte. Er nannte diesen Stern Mira (lateinisch "Die Wunderbare"). Bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts wurden lediglich 16 weitere Veränderliche gefunden. Erst nachdem man begann, den Himmel zu durchmustern um Sternkataloge zu erstellen, stieg die Zahl der zufälligen Entdeckungen von veränderlichen Sternen. Nach der Einführung der Fotografie in die astronomische Beobachtung hatte man eine Methode zur systematischen Veränderlichensuche, bei der sich in Deutschland die Sonneberger Sternwarte besondere Verdienste erwarb. Die Zahl der bekannten Veränderlichen stieg sprunghaft an. Bis 1968 wurden etwa 10.000 Objekte entdeckt (bis heute etwa 11.000). Printmedien zum Thema "Veränderliche Sterne" für die Recherche (alternativ oder zusätzlich zur Internetrecherche) alternativ zum Planetariumsprogramm eine detaillierte Sternkarte eine drehbare Sternkarte Mira und die Veränderlichen - Ergebnissicherung Die Ergebnisse der Vorstunde (Position von Veränderlichen auf der Sternkarte und ihre Beobachtbarkeit) werden per Schülerdemonstration kurz vorgestellt (vergleiche Ergebnisblatt "sternkarte_veraenderliche_ergebnisse.pdf"; Präsentation per Beamer oder Overhead-Folie). Nach der Zusammenfassung der "Eckdaten" der Mira-Veränderlichkeit (die Helligkeit von Mira schwankt mit einer Periode von etwa 331 Tagen zwischen der 2. und der 9. Größenklasse) führt das Unterrichtsgespräch zu der Forderung nach einem Hilfsmittel zur Vorhersage. In einem Lehrervortrag werden die Größe "Scheinbare Helligkeit", die Julianische Tageszählung und Lichtkurven vorgestellt. Einzelne Schülerinnen und Schüler zeichnen Lichtkurven an die Tafel, die die zeitlichen Verläufe der scheinbaren Helligkeiten folgender Objekte wiedergeben: Stern mit konstanter Helligkeit Mondbedeckung eines Sterns "Sinkender Stern" (Lichtschwächung durch die Atmosphäre) Typen Veränderlicher Sterne Animationen von verschiedenen Veränderlichen (Cepheiden, Algol-Veränderliche, Eruptive Veränderliche) werden per Beamer präsentiert und Lichtkurven an der Tafel vorgegeben. Die Lernenden ordnen diesen Lichtkurven die in den Animationen dargestellten Typen veränderlicher Sterne zu. In einem Lehrervortrag wird mithilfe von Vergleichen und Analogien ein grobes Bild der physikalischen Hintergründe des Lichtwechsels vermittelt. Variable stjerner: Animationen Animationen und Informationen von Erling Poulsen auf der Website des Rundetaarn-Observatoriums in Dänemark. Veränderlichentypen und die Ursache des Lichtwechsels Die Aufzeichnung des Lichtwechsels der Veränderlichen zeigt, dass es verschiedene Gruppen von Sternen mit ähnlichem Verlauf der Lichtkurve gibt. Heute kennt man viele verschiedene Typen veränderlicher Sterne, die sich entsprechend der Hauptursache ihrer Veränderlichkeit drei Familien zuordnen lassen: den pulsierenden Veränderlichen (zum Beispiel Mira-Sterne, Cepheiden), den eruptiven Veränderlichen (zum Beispiel Novae und Supernovae) und den Bedeckungsveränderlichen (zum Beispiel Algol-Sterne). Pulsationssterne "Normale" Sterne verhalten sich wie eine Schaukel auf einem Spielplatz, die nur einmal angeschoben wurde - ihre Schwingung endet schnell infolge der Dämpfung. Pulsationssterne haben einen "Ventilmechanismus", der dafür sorgt, dass die Schwingung durch regelmäßige Energiezufuhr (Strahlungsenergie) aufrechterhalten wird. Eruptive Veränderliche Ursache sind schnelle Fusionsreaktionen (lokal oder global), etwa vergleichbar mit einem gleichmäßig brennenden Feuer, in das schnell entzündlicher Brennstoff gegeben wird oder das eine Temperatur erreicht hat, bei der ein bestimmter Stoff plötzlich zu brennen anfängt. Bedeckungsveränderliche Bedeckt der kleinere Stern eines Doppelsternsystems einen Teil des größeren oder helleren Sterns des Systems, ergibt sich ein schmales Minimum in der Lichtkurve. Wenn der kleinere hinter den größeren Stern gerät, beobachtet man ein weiteres, weniger tiefes Minimum der Leuchtkraft. Die Leuchtkraft der beiden Sterne selbst ist konstant. Der "Mechanismus" entspricht dem Prinzip einer Sonnenfinsternis. Die im Unterricht gezeigten Animationen zu den Veränderlichentypen finden Sie auf der Seite zu den Variable stjerner des Rundetaarn-Observatoriums in Dänemark. Vorkenntnisse Die Schülerinnen und Schüler sind mit der Betrachtung und Bearbeitung digitaler Bilder und im Umgang mit der verwendeten Bildbearbeitungs-Software vertraut. Untersuchung einer Fotoplatte Den Lernenden wird der digitalen Scann der "Platte 300300" aus dem Sonneberger Plattenarchiv aus dem Jahr 1966 vorgestellt (Präsentation per Beamer). Diese Platte zeigt unter anderem das Sternbild Cassiopeia. Die Jugendlichen verbinden am Rechner in Partnerarbeit die hellsten Sterne dieses Sternbildes miteinander (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken) und vergleichen das Sternbild mit einer Darstellung auf einer Sternenkarte. Bevor die Arbeit mit den Sternfeldaufnahmen beginnt, müssen die Schülerinnen und Schüler für die "Bildprobleme" sensibilisiert werden. Auch die Orientierung auf der Himmelsaufnahme stellt eine Herausforderung dar. In Partnerarbeit und im Unterrichtsgespräch werden folgende Fragen beantwortet: Woraus kann auf die Sternhelligkeiten geschlossen werden? (Größe und Schwärzung der Scheibchen) Die Schwärzungsscheibchen der Sterne verändern ihr Aussehen mit zunehmendem Abstand vom Plattenzentrum. Wie verändern sie sich und wie lässt sich das erklären? (beste Abbildung auf optischer Achse; mit größer werdendem Abstand wird insbesondere der Astigmatismus wirksam) Untersuchung von "Platte 300308": Wann wurde diese Platte aufgenommen? Was fällt auf dieser Fotoplatte auf? (14. Oktober 1966; die Fotoplatte zeigt einen kleinen Kometen, siehe Abb. 2) Die Ergebnisse werden an der Tafel oder auf einer Folie gesichert. Den Jugendlichen soll bewusst werden, dass ein Archiv von Himmelsaufnahmen eine "Chronik der Geschichte des Sternhimmels" darstellt und dass Sternfeldaufnahmen als Grundlage für die Bestimmung von Lichtkurven genutzt werden können. Aufspüren des Veränderlichen R Cassiopeia Die Lernenden erleben, dass durch den Wechsel zwischen verschiedenen Aufnahmen ein und desselben Sternfeldes Helligkeitsänderungen "ins Auge springen". Zur Erleichterung der Arbeit wird dafür das interessierende Sternfeld (Schätzfeld) aus der digitalen Fotoplatte am Computer ausgeschnitten. Die resultierenden Bilder werden dann mit geeigneter Software "zum Laufen" gebracht (zum Beispiel mit einem GIF-Animator oder durch den schnellen Bildwechsel mit dem Windows Bildbetrachter Image Viewer). Das Ergebnis ist eine kleine Animation, mit deren Hilfe der Veränderliche "R Cas" (ein Mira-Stern), aufgespürt wird (siehe "r_cas_neg.mov"). Vorbereitung der Helligkeitsschätzung Die Schülerinnen und Schüler schneiden aus der Aufnahme "fotoplatte_300308.jpg" den im Bild "fotoplatte_300296_teil.jpg" gezeigten Bildausschnitt um R Cas herum aus und beschriften den Veränderlichen sowie die Vergleichssterne A, B, und C. Abb. 3 (Platzhalter bitte anklicken) zeigt die Schätzfelder aus "fotoplatte_300296_teil.jpg" (oben) und "fotoplatte_300307_teil.jpg" (unten). Es handelt sich um zwei Aufnahmen, die in geringem zeitlichen Abstand aufgenommen wurden. Der Helligkeitswechsel von R Cassiopeia (R) ist deutlich zu erkennen. Historischer Einstieg Im Rahmen eines kurzen Lehrervortrags wird berichtet, dass Mitte des 19. Jahrhunderts Friedrich Wilhelm Argelander (1799-1875) seine Methode zur Helligkeitsbestimmung von Sternen entwickelte, die eine systematische Katalogisierung der Sternhelligkeiten ermöglichte. Damit versetzte er auch die Amateurastronomen in die Lage, Helligkeitsänderungen bei Sternen festzustellen und sich in die astronomische Forschungsarbeit einzubringen. Erstellung der Lichtkurve Die Argelander Stufenschätzmethode wird vorgeführt und dann gleich anhand projizierter Sternfeldbilder (siehe Abb. 4 und "stufenschaetzmethode_einfuehrung.pdf") in Zweiergruppen geübt. Die Lehrkraft führt die Präsentation "stufenschaetzmethode_einfuehrung.pdf" per Beamer vor und die Schülerinnen und Schüler schätzen und notieren die Ergebnisse in einer Tabelle (tabelle_r_cas_stufenschaetzung_leer.pdf). Ziel der beiden Unterrichtsstunden ist die beispielhafte Erstellung einer Lichtkurve aus 23 Stufenschätzungen des Veränderlichen R Cassiopeia (R Cas). Es soll noch keine Interpretation der Ergebnisse vorgenommen werden. Die verwendeten Daten werden im folgenden Abschnitt des Projektes, ergänzt durch viele neue Daten, erneut vorkommen. Die Schülerinnen und Schüler sollen dann bewusst diese Sternfelder noch einmal schätzen, um zu erleben, dass subjektive Fehler mit Erfahrung, Tagesform und vielen anderen Faktoren zu tun haben. Schätzungsfelder - Auswertung mit oder ohne Computer Den Schülerinnen und Schülern stehen 83 Schätzfelder des Gebietes um den Stern R Cassiopeia zur Verfügung. Im Rahmen der Auswertung dieser "Rohdaten" können die Fertigkeiten der Schülerinnen und Schüler bei der Nutzung des Computers als Werkzeug intensiv geschult werden. So bietet sich beim Schätzen der Helligkeiten am Bildschirm der Windows Bildbetrachter Image Viewer als Instrument an, das es sehr einfach macht, von einem Schätzungsfeld zum nächsten zu wechseln. Die Schätzungsfelder werden dabei stets auf Bildschirmgröße geweitet. Die Stufenschätzung kann - bei Mangel an Computern - wie beim Einstieg in die Argelander Methode (4. und 5. Stunde) auch frontal am Projektionsbild im gut verdunkelten Raum durchgeführt werden. Alternativ können die Helligkeiten auch auf Ausdrucken der Plattenausschnitte geschätzt werden. Auswertung der Daten per Tabellenkalkulation Excel oder andere Tabellenkalkulations-Software erlauben das praktische Einfügen von Datenkolonnen per "Copy" und "Paste". Sie ermöglichen auch eine automatisierte Berechnung der Helligkeiten aus den Stufenwerten (siehe "mappe_auswertung.xls"). Hierbei kann die zuvor mit Excel bestimmte Formel der Regressionsgeraden im Stufenwert-Helligkeit-Diagramm genutzt werden. Abb. 5 zeigt die von den Schülerinnen und Schülern ermittelte Lichtkurve des Veränderlichen R Cas. 7. Stunde Die Jugendlichen praktizieren die Argelander Stufenschätzmethode am Computerbildschirm oder anhand von Ausdrucken der Schätzungsfelder. 8. Stunde Die Schülerinnen und Schüler bestimmen Stufendifferenzen, berechnen Mittelwerte, korrigieren die Stufenwerte und ermitteln endgültige Stufenwerte. 9. Stunde Die Lernenden ermitteln Stufenwerte für die Vergleichssterne, zeichnen das Stufenwert-Helligkeit-Diagramm (Millimeterpapier oder Tabellenkalkulation) und bestimmen mit diesem aus den Stufenwerten die Helligkeiten. Sie zeichnen die Lichtkurve auf Millimeterpapier oder mithilfe eines Tabellekalkulations-Programms. Alternativ zur Auswertung mit Excel oder einem anderen Tabellenkalkulationsprogramm können auch Taschenrechner und Millimeterpapier zum Einsatz kommen. Die folgenden Begriffe und Phänomene müssen den Schülerinnen und Schülern bereits bekannt sein, um die physikalischen Hintergründe des Pulsationsmechanismus von Mira-Sternen zu verstehen: gedämpfte, ungedämpfte und erzwungene Schwingungen Kompression und Expansion von Gas Wärme und Wärmeenergie Ionisation und Ionisationsenergie Energietransport durch Strahlung Absorption Interpretation der Lichtkurve von R Cas Die Jugendlichen zeichnen eine Ausgleichskurve durch ihre Datenpunkte, beschreiben den Kurvenverlauf, ermitteln die Periodendauer von R Cas (etwa 430,5 Tage) und bestimmen anhand der Lichtkurve den Variablentyp (Mira-Stern). Sie erzeugen mithilfe eines Online-Lichtkurvengenarators eine Vergleichslichtkurve auf der Basis der Daten von geübten Amateurbeobachtern. Die Übereinstimmung wirkt sehr motivierend. Gemeinsamkeiten, aber auch Unterschiede werden beschrieben und erörtert: Die Verläufe sind sehr ähnlich, die Helligkeitsbereiche unterscheiden sich jedoch. Dies liegt daran, dass die Sonneberger Daten fotografisch gewonnen wurden, die Amateurdaten aber auf Augenbeobachtungen basieren. Die Empfindlichkeit der fotografischen Emulsion über der Wellenlänge ist etwas anders als die des Auges. Mira-Sterne und ihr Lichtwechsel Der die Stunde abschließende Lehrervortrag zu Mira-Sternen und dem Zustandekommen ihrer Pulsationen erfordert die oben genannten physikalischen Vorkenntnisse. Mira ist ein Roter Riese vom Spektraltyp M. Mira selbst hat einen mittleren Durchmesser von etwa 550 Millionen Kilometern. Der Stern würde damit das Sonnensystem bis hin zum Planetoidengürtel ausfüllen. Die wahre mittlere Sterngröße ist jedoch kleiner, denn eine den Stern umgebende Wolke aus Molekülen täuscht ein größeres Ausmaß vor. "Die Wunderbare" im Walfisch repräsentiert das Endstadium eines Sterns von der Masse unserer Sonne. Der Pulsationsmechanismus von Mira Die Pulsation ist mit einer ungedämpften Schwingung vergleichbar. Dieser Mechanismus funktioniert nur, wenn Energie im richtigen Schwingungszustand (in der richtigen Phase) zugeführt wird. Ein anschauliches Bild dafür bietet eine Spielplatz-Schaukel: Die Schwingung der Schaukel bleibt erhalten, wenn man sie bei der "Auswärtsbewegung" anschiebt. So muss auch der Hülle eines schwingenden Sterns Energie zugeführt werden, wenn sie expandiert. (Wärme-)Energie kann im Stern nur durch Strahlung zugeführt werden. Dazu ist es erforderlich, dass der Stern bei Kompression "undurchsichtiger" wird, das heißt, Strahlungswärme "tankt", die dann bei der Expansion treibend (entdämpfend) frei werden kann. In "normalen" (nicht veränderlichen) Sternen sind die Verhältnisse gerade umgekehrt, so dass Schwingungen schnell ausgedämpft werden. In Riesensternen kann dieser Fall aber in der richtigen Tiefe eintreten. Weitere Details In Mira sind die Bedingungen für die Ionisation von Wasserstoff (Temperatur und Druck) in genau der Tiefe gegeben, die für die Aufrechterhaltung des Pulsationsmechanismus erforderlich ist. Da die Sternmaterie größtenteils aus Wasserstoff besteht (im Zentrum eines Sterns ist in der Endphase seines "Lebens" zwar nur noch Helium oder Kohlenstoff vorhanden, aber rundherum bleibt viel Wasserstoff übrig, der nicht zum Fusionieren kommt) und dessen Ionisationsenergie hoch ist, wird dabei viel Energie gespeichert, die bei der Expansion massiv frei wird. Mira-Sterne pulsieren weitaus stärker als Cepheiden. Ihre starke Helligkeitsänderung beruht auch auf der periodischen Entstehung von absorbierenden Molekülen im Außenbereich. Allgemeine Hinweise Mira soll nun gezielt mit bloßem Auge gesichtet werden (Beobachtungszeit: Herbst und Winter). Dazu ist es wichtig, die Zeit des Maximums und Minimums zu kennen. Diese Zeiten können im Internet recherchiert werden. Mit der Kenntnis des Lichtkurvenverlaufs (hier wird der Einfachheit halber eine Lichtkurve von R Cas zu Grunde gelegt) können die Jugendlichen nun auch den Zeitraum abschätzen, innerhalb dessen die Helligkeit von Mira unterhalb der 6. Größenklasse liegt (Wissenstransfer). Das Julianische Datum findet nochmals Anwendung, indem es ins bürgerliche (gregorianische) Datum umgerechnet werden muss. Ein anderes Beobachtungsprojekt betrifft den Bedeckungsveränderlichen Algol im Sternbild Perseus. Dieser Stern bietet die Möglichkeit, den Helligkeitsabfall innerhalb einiger Stunden mit bloßem Auge zu verfolgen. Dies können die Schülerinnen und Schüler auch an der Lichtkurve ersehen. Damit man das Minimum optimal beobachten kann, müssen einige Voraussetzungen erfüllt sein: möglichst kein Mondlicht während des Minimums möglichst große Höhe über dem Horizont günstige Abendzeit Zusammen mit astronomischen Grundkenntnissen sind hier die planerischen Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler gefordert. Ausblickend lässt sich das für R Cas gegebene Sternfeld (27 Grad mal 27 Grad) nach weiteren Veränderlichen durchforsten. Die Plattendaten können beim Autor dieses Artikels, Dr. Olaf Fischer, angefragt werden. Es besteht auch die Möglichkeit einer Verlängerung der Messreihe für R Cas durch weitere Daten. Hier sollte eventuell entstandenes Schülerinteresse weitere Nahrung finden können.

In dieser Unterrichtseinheit für den Statistik-Unterricht lernen die Schülerinnen und Schüler ausgehend von eigenen Erhebungen zum Thema "Wie alt sind wir – eine empirische Betrachtung unseres Alters" wichtige statistische Kenngrößen kennen.Bereits in der Mittelstufe kommen die Schülerinnen und Schüler mit dem Thema "Beschreibende Statistik" in Berührung. Hier werden erstmals Begriffe wie Merkmal und Merkmalsausprägung, absolute und relative Häufigkeit, Grundgesamtheit und Urliste verwendet. Dies geschieht jedoch auf einem recht einfachen Niveau. Die Erfahrung der letzten Jahre und Jahrzehnte hat gezeigt, dass das einstige "Stiefkind" im Unterricht, die Beschreibende Statistik, für Studium und Beruf immer wichtiger wird. Daher findet dieser Themenkomplex seit geraumer Zeit Eingang in die Qualifikationsphase als Vorstufe der Beurteilenden Statistik.Im Rahmen der Qualifikationsphase kommen die Schülerinnen und Schüler vertiefend mit dem Thema "Beschreibende Statistik" im Fach Mathematik in Berührung. Hierbei lernen sie statistische Kenngrößen und Verfahren zu deren Berechnung kennen. In dieser Einheit wird der empirische Weg der Beschreibenden Statistik gewählt, aus dem sich zwangsläufig die statistischen Kenngrößen ableiten lassen. Wie alt sind wir? - Ablauf der Unterrichtseinheit Die Schülerinnen und Schüler erheben empirische Daten, werten sie aus und ordnen die Ergebnisse in wissenschaftliche Modelle ein. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler wenden Fachbegriffe wie Merkmal, Merkmalsausprägung, empirische Grundgesamtheit, Stichprobe, Urliste, absolute und relative Häufigkeit, Median, Modus, Säulendia- oder Histogramm, arithmetische Mittel, Spannweite, Streuung an. veranschaulichen Daten graphisch, zum Beispiel mithilfe von Excel oder einem graphikfähigen Taschenrechner (GTR). berechnen und interpretieren das arithmetische Mittel, den Median, die Spannweite und die Standardabweichung. benennen Ursachen für die Altersverteilung. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler berechnen mithilfe eines Tabellenkalkulationsprogramms oder eines graphikfähigen Taschenrechners bestimmte Kenngrößen und stellen sie graphisch dar. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler arbeiten sowohl in Gruppen als auch selbstorganisiert. Erfassen von Altersangaben Jede Schülerin und jeder Schüler erhält die Aufgabe (bei einer Klassen- oder Kursgröße von etwa 20 Lernenden), je fünf Altersangaben aufzuschreiben, ganz egal von wem: Freund, Freundin, Mutter, Vater, Cousine oder andere. Diese Daten werden dann in eine Liste, die sogenannte Urliste, eingetragen. Dies kann mithilfe einer Tabellenkalkulation, beispielsweise Excel, oder auch mithilfe eines graphikfähigen Taschenrechners (GTR) geschehen. Es entsteht ein Datensatz von n=100 Daten, und dieser beschreibt damit die empirische Grundgesamtheit oder Stichprobe n. Geordnete Stichprobe Da die Urliste ungeordnet und recht unübersichtlich ist, entscheiden sich die Schülerinnen und Schüler intuitiv, die Liste zu ordnen (geordnete Stichprobe) und sie ansatzweise auszuwerten, indem sie eine Strichliste anlegen und somit die absolute Häufigkeit jeder Altersangabe bestimmen. An dieser Stelle kann man den Begriff Modus einführen, denn er beschreibt jenen Wert, der am häufigsten vorkommt. Stichprobe kontrollieren Nutzt man zur Auswertung der Daten das Tabellenkalkulationsprogramm Excel, so ist das Ordnen sehr einfach. Nutzt man allerdings einen GTR, so müssen die Daten zunächst per Hand geordnet und dann die übrigen Kenngrößen bestimmt werden. Hier sollte man die Gesamtsumme stets kontrollieren, sodass gesichert ist, dass die Stichprobe noch stimmt. Sinnvolle Klassen bilden Da die erhobenen Daten immer noch recht "unhandlich" zur Auswertung sind, entscheiden die Schülerinnen und Schüler, sinnvolle Klassen zu bilden. Es entstehen gleich große Klassen von "0 bis 10 Jahren" bis "mehr als 90 Jahre". Hier werden die absolute Häufigkeit und die relative Häufigkeit bestimmt, sodass man einen besseren Überblick darüber erhält, welche Altersklassen am häufigsten vertreten sind. Verknüpfung mit dem Fach Geographie An dieser Stelle bieten sich erste Anknüpfungspunkte an das Fach Geographie: Sind die Daten repräsentativ? Stimmt die Häufigkeit des Auftretens mit der Häufigkeit im Bund überein, oder gibt es starke Abweichungen? Diese Phase kann entweder im Unterrichtsgespräch oder aber in Partnerarbeit durchgeführt werden. Entscheidet man sich für Partnerarbeit, ist es hilfreich, diese Phase mit einem Arbeitsblatt zu unterstützen. An dieser Stelle kann man die Daten auch graphisch darstellen lassen, indem man mithilfe von Excel oder Taschenrechner ein Säulendiagramm (Befehl "Diagramm einfügen") oder ein Histogramm zeichnen lässt. Auftreten der verschiedenen Altersklassen Sehr auffällig ist hier, dass die Altersklassen "zwischen 11 und 20 Jahren" und "41 bis 50 Jahren" am stärksten vertreten sind. Die Erklärung dafür ist recht einfach: Die Schülerinnen und Schüler haben ihr Alter und das Alter der Eltern am häufigsten angegeben, sodass eben diese Altersklassen am stärksten vertreten sind. Die Altersklasse "von 0 bis 10 Jahren" und die Klasse "älter als 90 Jahre" ist am geringsten vertreten, da die Geschwister meist in der eigenen Altersklasse auftreten und die Generation der Großeltern jene Altersklasse "über 90 Jahre" noch nicht erreicht hat. Bezug zu Bevölkerungsprognosen und Lebenserwartung Betrachtet man an dieser Stelle den Bundesschnitt, stimmen die Werte gut überein, und die empirischen Daten sind repräsentativ, wie zum Beispiel diese Seite des Statistischen Bundesamtes verdeutlicht. An dieser Stelle kann man auf Bevölkerungsprognosen und Lebenserwartung eingehen und Verbindungen zu den Fächern Erdkunde und Biologie herstellen. Die Lebenserwartung in Deutschland steigt aufgrund einer sehr guten medizinischen Versorgung und Beschäftigungen, die kaum noch körperliche Anstrengungen verlangen. Ebenso gehen die Zahlen der Geburten zurück aufgrund einer zunehmenden Geburtenkontrolle, der Zunahme von Single-Haushalten und der steigenden Gleichberechtigung der Frauen. Diskussion über gesellschaftliche Rahmenbedingungen Die Schülerinnen und Schüler äußern an dieser Stelle vermutlich Kritik in der Form, dass die gesellschaftlichen Rahmenbedingungen nicht stimmen würden. Dabei könnten sie thematisieren, dass Frauen häufig benachteiligt werden oder Einbußen hinnehmen müssen, wenn sie Kinder und Job vereinbaren wollen. Tagesaktuelle Schlagzeilen oder Diskussionsstoff über Frauen in Führungspositionen und eine mögliche gesetzliche Regelung können in die Diskussion einfließen. Je nach Vertiefung und Verfügung von Stunden kann man dies durch ein Arbeitsblatt unterstützen. Bestimmen des Mittelwertes Ausgehend von absoluter und relativer Häufigkeit ergibt es sich, die Daten genauer zu untersuchen und den Mittelwert beziehungsweise das arithmetische Mittel und den Median mithilfe von Excel oder des GTR berechnen zu lassen. An dieser Stelle ist es wichtig, das arithmetische Mittel deutlich vom Median zu unterscheiden. Beide beschreiben so etwas wie den Mittelwert, allerdings muss für den Median die Stichprobe geordnet sein. Beim arithmetischen Mittel ist das nicht erforderlich. Hierzu versetzen sich die Schülerinnen und Schüler in die Rolle von Mitarbeitern der Abteilung für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit in einem Unternehmen, die im Rahmen von Pressemitteilungen oder Pressekonferenzen Daten stets kurz und prägnant präsentieren müssen. Berechnung der Spannweite und der empirischen Standardabweichung Hat man den Mittelwert berechnet, folgen nun die Berechnung der Spannweite und der empirischen Standardabweichung. Beide Kenngrößen sind als Streuungsmaße bekannt und ein wichtiges Element der Beschreibenden Statistik. Bei der Berechnung der empirischen Standardabweichung benötigt man den Befehl =STABWN (Zelle1:ZelleEnde). Gerade bei der Berechnung der Kenngrößen ist es wichtig, nach dem Sinn und Nutzen zu fragen und die gewonnenen Daten interpretieren zu lassen. In der Beschreibenden Statistik werden viele Begriffe verwendet, die einen ähnlichen Sachverhalt darstellen, sich aber doch deutlich in der Interpretation unterscheiden. Bei der empirischen Standardabweichung, also der Abweichung vom Mittelwert, sollte die Lehrkraft den Hinweis geben, dass circa 68 Prozent aller erhobenen Daten in einem symmetrischen Intervall um den Mittelwert liegen. Vergleich mit internationalen demografischen Daten Nachdem die erhobenen Daten ausgewertet und interpretiert worden sind, lohnt es sich über den Tellerrand zu schauen und die Daten mit den Daten von Partnerschulen oder aber mit internationalen demografischen Daten zu vergleichen. Auf der Seite www.census.gov finden sich beispielsweise zahlreiche Informationen über die verschiedenen Länder der Erde, mit denen die Werte verglichen werden können. Optional Datenpool vergrößern Um einen größeren "Datenpool" zu haben, ist es möglich, aus anderen Klassen und Kursen Altersangaben hinzuzunehmen. Damit nimmt die Größe der Stichprobe zu, und die Daten sind deutlich repräsentativer. Die Lehrkraft sollte zu Beginn der Reihe mehr Stunden einplanen. Die vorliegende Unterrichtsreihe lässt sich außerdem erweitern, indem neben dem Alter noch das Geschlecht erfasst wird. Einführung in wichtige Funktionen Bei der Arbeit mit Excel ist es sinnvoll, an der ein oder anderen Stelle wichtige Funktionen noch einmal zu wiederholen und zu üben. Das Gleiche gilt für die Arbeit mit dem GTR. Die Schülerinnen und Schüler können mit dem Rechner rechnen, benötigen aber eine Einführungsphase in das Erstellen und Auswerten von Listen beziehungsweise ausreichend Zeit, um ein Histogramm zu zeichnen. Excel-Datei digital zur Verfügung stellen Die Excel-Datei, in der sich die Urliste befindet, sollte den Schülerinnen und Schülern per Netzwerk oder einer für alle zugänglichen Dateiablage in der so genannten "Cloud" (etwa Dropbox) zur Verfügung gestellt und dort immer wieder gesichert werden. Die Listen, mit denen die Schülerinnen und Schüler im GTR arbeiten, sind dagegen stets präsent, da diese sich immer im Rechner befinden. Hierbei sind gegebenenfalls die eintsprechenden Einstellungen anzugeben.

Die hier vorgestellten spielerischen Versuche zur Auftrennung gängiger Faserstift-Farben und die folgende wissenschaftlich exakte Identifizierung von Inhaltsstoffen gängiger Schmerztabletten mithilfe von Referenzsubstanzen sind der Garant für eine hohe Motivation der Lernenden. Modellierungen mit Excel veranschaulichen den Begriff des multiplikativen Gleichgewichts bei der Chromatographie.Die Experimente zur Chromatographie verdeutlichen die Bedeutung der Trennmethode und geben Denkanstöße zu anderen Themenbereichen - bis hin zur DNA-Analyse oder dem Nachweis von toxischen Verunreinigungen oder Fremdsubstanzen in Modedrogen. Vor den praktischen Übungen werden mit einem Tabellenkalkulationsprogramm (hier Excel) die Verteilungsvorgänge bei der Dünnschichtchromatographie (Austauschvorgänge zwischen mobiler und fester Phase) mathematisch modelliert und grafisch dargestellt. Die Lernenden verstehen die Verteilungsvorgänge mithilfe des Computers als ?Zeichen- und Rechenknecht?. In der Unterrichtseinheit verbinden sich somit am Computer entwickelte Modellvorstellungen mit greifbaren Versuchsergebnissen. 1. Stunde: Chromatographie - eine revolutionäre Technik Allgemeine Hinweise zur Dünnschichtchromatographie 2. Stunde: Mathematische Simulation der multiplikativen Verteilung Mit Excel-Dateien wird die multiplikative Verteilung von zwei zu trennenden Stoffen berechnet und in Diagrammform dargestellt. 3. Stunde: Chromatographie von Farbstoffgemischen Einstieg in die Chromatographie-Praxis: Hier finden Sie Hinweise zur Durchführung, Ergebnisbeispiele und eine ausführliche Versuchsanleitung für die Lernenden. 4. Stunde: Chromatographie von Schmerzmitteln Die Schülerinnen und Schüler analysieren die Bestandteile eines Schmerzmittels und nutzen das Internet, um die Medikamenten-Marke zu bestimmen. Weitere Versuchsvorschläge und Anregungen Experimente zur Trennung von Pflanzenfarbstoffen Die Schülerinnen und Schüler sollen die Verteilung von Farbstoffen mithilfe einer vorgegebenen Excel-Datei bei unterschiedlichen Verteilungskoeffizienten simulieren und die Auswirkungen an der Excel-Grafik ablesen. an einigen Beispielen die zugrunde liegende Excel-Rechenanweisungen zur Konzentrationsberechnung nachvollziehen. experimentell sauber arbeiten und Versuchsprotokolle führen können. in einem Versuch zur Trennung von Farbstoffgemischen erleben, dass die Dünnschichtchromatographie überraschende Ergebnisse liefert. in einem Versuch zur Trennung von Schmerzmitteln die Komponenten einer Schmerztablette identifizieren und mithilfe von Internetrecherchen einem Markennamen zuordnen oder die Auswahl der in Frage kommenden Produkte eingrenzen. weitere Versuche durchführen (Trennung von Paprika-, Curry- und Blattfarbstoffen). Das Wort "Chromatographie" (aus dem Griechischen) bedeutet "mit Farbe schreiben" (chroma = Farbe, graphein = schreiben). In der Chemie fasst man unter diesem Begriff keine Maltechnik, sondern eine Reihe von Techniken zur analytischen Trennung von Stoffen zusammen: Papier-, Dünnschicht-, Gaschromatographie und noch weitere moderne Methoden. Die Chromatographie war und ist für die Naturstoff- und Biochemie von sehr großer Bedeutung, da man mit ihr Stoffgemische sehr leicht trennen und die Bestandteile identifizieren kann. Erwin Chargaff hat zum Beispiel mithilfe chromatographischer Techniken einen wesentlichen Beitrag zur Strukturaufklärung der DNA geleistet. In modernen Labors werden Chromatographien automatisiert durchgeführt und per Computer ausgewertet. Feste Phase Bei der Dünnschicht-Chromatographie benutzt man eine feste Phase auf einem Trägermaterial (Alufolie, Plastikfolie oder Glasplatte), an der die zu untersuchenden Stoffe getrennt werden. Die feste Phase kann zum Beispiel Cellulose, Aluminiumoxid oder Kieselgel sein. Sie ist sehr fein und gleichmäßig auf dem Trägermaterial verteilt. Mobile Phase: Das Laufmittel Die flüssige Phase bewegt sich durch Kapillarkräfte durch die feste Phase und transportiert dabei die Stoffe des Substanzgemisches. Auftragung der Substanzproben Auf die Dünnschichtchromatographie-Folie trägt man mithilfe einer Kapillare die Proben punktförmig entlang einer Startlinie auf und lässt sie eintrocknen. Nach dem Auftragen der Proben stellt man die Folie aufrecht in einen Chromatographie-Tank, der gerade soviel von der mobilen (flüssigen) Phase enthält, dass die Startlinie mit den aufgetragenen Proben einen halben Zentimeter oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt. Durch Kapillarkräfte beginnt die mobile Phase durch die feste Phase zu wandern und zieht dabei die Substanzproben mit sich. Während der Chromatographie stellt sich entlang der Laufstrecke ständig ein neues Gleichgewicht ein zwischen der Lösung des Stoffes (in der mobilen Phase) und der Adsorption des Stoffes (an die stationäre Phase). Nimmt man die Folie aus dem Gefäß und trocknet sie, so befindet sich der "Fleck" jeder Komponente der Probe auf einer ganz bestimmten Höhe des Chromatogramms (wobei sich die Farbstoffmengen der mobilen und der stationären Phase nach der Trocknung der Folie an jedem Ort jeweils addieren). Die Trennung kommt dadurch zustande, dass sich die Substanzen verschieden gut in der mobilen Phase lösen und weitertransportiert werden. verschieden fest an die feste Phase angelagern (Adsorption). Der Rf-Wert Je besser sich eine Substanz im wandernden Lösungsmittel löst und je kleiner ihre Affinität zum Trägermaterial ist, desto schneller und weiter wird sie mit dem Lösungsmittel wandern. Daraus ergibt sich als eine charakteristische Größe der Rf-Wert ("Ratio of front") der Substanz (Wanderungsstrecke der Substanz / gesamte Wanderungsstrecke des Lösungsmittels). Der maximale Rf-Wert beträgt somit 1, meist liegt er deutlich darunter. Er hängt von der chemischen Struktur der Substanz, vom Trägermaterial und vom Lösungsmittelgemisch ab (Kammmersättigung und konstante Versuchstemperatur werden vorausgesetzt). Jonas Hostettler vom Departement Chemie der Universität Basel hat ein kleines Simulationsprogramm entwickelt und für die Veröffentlichung zur Verfügung gestellt. Es eignet sich sehr gut als Ergänzung zu den eher trockenen Erklärungen der Vorgänge bei der multiplen Verteilung (Beamerpräsentation, Nutzung am heimischen Rechner oder im Computerraum). In dem ZIP-Ordner "dc_simulation_verteilung" (siehe unten) finden Sie die Datei "Verteilung.htm", mit der Sie das Programm per Mausklick starten (Abb. 1, Platzhalter bitte anklicken). Weisen Sie Ihre Schülerinnen und Schülern darauf hin, dass in den Reagenzgläsern die untere (grüne) Phase der stationären Phase, die obere (blaugrüne) Phase der mobilen Phase, also dem Fließ- oder Laufmittel, entspricht. Um die Simulation starten zu können, müssen für die beiden zu trennenden Stoffe Verteilungskoeffizienten (v) Werte eintragen werden. Mit dem Wert für "i" geben Sie die Zahl der im ersten Schritt zu simulierenden Trennschritte vor. Durch den Klick auf "Rechne!" wird dann das multiplikative Gleichgewicht für eine entsprechende Zahl von Reagenzgläsern berechnet. Die Konzentrationen der Stoffe werden als Balkendiagramme dargestellt. Dabei werden leider nur die Konzentrationen in der mobilen Phase (grün) berücksichtigt. Durch Klick auf "i+1" wird jeweils ein weiterer Trennschritt berechnet. (Aus programmiertechnischen Gründen startet die Software bei i-Werten, die größer sind als eins, jeweils beim "letzten" Trennschritt.) Die Excel-Dateien können zur Unterstützung des Unterrichtsgespräches eingesetzt werden. Dazu sind lediglich ein Präsentationsrechner und ein Beamer erforderlich. Machen Sie sich mit den Simulationen vor der Verwendung im Unterricht vertraut. Verwenden Sie am besten die Verteilungskoeffizienten 0,5 für den roten und blauen Farbstoff - hier werden die Zahlenreihen am verständlichsten. Die Funktionen und Eigenschaften der beiden Excel-Simulationen werden in den folgenden Abschnitten dargestellt. Darstellung der multiplikativen Verteilung Mit der Datei "1_multiplikative_verteilung_5_schritte.xls" (Abb. 2, Platzhalter bitte anklicken) wird eine Stofftrennung (rechnerisch) mit nur fünf Trennschritten simuliert: Die Konzentrationen eines roten und eines blauen Farbstoffs in der mobilen und der stationären Phase werden rechnerisch und grafisch dargestellt. Die Konzentrationen und die Verteilungskoeffizienten der Stoffe (rote Zahlen = roter Farbstoff, blaue Zahlen = blauer Farbstoff) lassen sich ändern. Die Ergebnisse werden jeweils in einer Grafik ("Multiple Verteilung - stationäre und mobile Phase") dargestellt, die sich den eingegeben Werten automatisch anpasst. In der Spalte B steht "GG" für die Einstellung des Gleichgewichtes, der nach rechts gerichtete Pfeil für das "Vorrücken" der Fließmittelfront. Variation der Verteilungskoeffizienten In den Feldern L2 und L4 (siehe Abb. 3) können die Verteilungskoeffizienten geändert werden (Werte zwischen 0 und 1). Experimentieren Sie mit verschiedenen Werten. Diese Felder geben an, zu welchen Anteilen die beiden Stoffe in die mobile Phase übergehen: In Feld D6 steht dann der Anteil roten Farbstoffs, der in die mobile Phase übergeht (0,25 entspricht 25 Prozent), im Feld G6 der Anteil roten Farbstoffs, den die stationäre Phase in dem jeweiligen Schritt absorbiert (1 - 0,25 = 0,75; also 75 Prozent). Um den Inhalt der Felder D6 und G6 brauchen Sie sich nicht zu kümmern - ihre Werte richten sich nach der Eingabe in L2 und L4 (Vorgabe der Verteilungskoeffizienten). Stoffmengen In den Feldern E2 und E4 (Abb. 3) können die Stoffmengen variiert werden. Werte unter zehn liefern im Graphen zu flache Kurven und werden nicht angenommen. Wie werden die Berechnungen durchgeführt? Die gelb unterlegten Felder (siehe Abb. 4 und Abb. 5) enthalten die Stoffmengen der mobilen Phase, die blau unterlegten enthalten die absorbierten Anteile der stationären Phase. Vor dem Weiterwandern der mobilen Phase, also hinter der Fließmittelfront, findet eine Gleichgewichtseinstellung statt (Abb. 4). Nach der Gleichgewichtseinstellung wandert die mobile Phase weiter - zunächst ohne erneute Gleichgewichtseinstellung (Abb. 5). Danach findet wieder eine Gleichgewichtseinstellung statt und das Fließmittel wandert wieder eine Zelle weiter - und so geht es weiter, bis fünf Trennschritte simuliert sind. Ganz unten in der Tabelle (Zeile 48 und 49, siehe Abb. 2) werden die Stoffmengen der stationären und der mobilen Phase für jeden Farbstoff und jede Zelle addiert. Diese Werte erscheinen in der Grafik. Natürlich sind fünf Trennschritte noch zu wenig, um eine scharfe Trennung der Farbstoffe zu simulieren. Dies ist mit der zweiten Excel-Datei möglich (2_multiplikative_verteilung_stat _mobil_10_schritte.xls), die zehn Trennschritte simuliert (Abb. 6, Platzhalter bitte anklicken). Dabei werden die Verteilungen in der stationären und mobilen Phase - im Unterschied zur ersten Simulation - zusammengefasst. Dies ist im Vergleich zur ersten Simulation ein Vorteil: dort müssen bei der Betrachtung der Trennschritte die Stoffmengen der mobilen und der stationären Phase jeweils addiert werden. Wieder gilt: Rote Zahlen gelten für den roten, blaue für den blauen Farbstoff. Wie funktioniert diese "Zusammenfassung" der Stoffmengen in der stationären und mobilen Phase? Betrachten wir in Abb. 7 das oval markierte Feld E14. Wir wollen gerade die Teilchenmengen berechnen, die im dritten Trennschritt anfallen. E14 wird mit zwei Teilchenmengen "versorgt": Von der Zelle davor kommt der Anteil an Substanz hinzu, der in ihr in die mobile Phase übergegangen ist ("C12*D6", also das Produkt der Werte aus den Zellen C12 und D6) und weitertransportiert wird (grüner Pfeil). Zusätzlich kommt der Inhalt der Zelle hinzu, der von der stationären Phase festgehalten (E12*G6) und nicht weiter transportiert wird (roter Pfeil). Für eine detaillierte und mehr schrittweise Betrachtung der Einzelvorgänge ist die Excel-Datei mit den fünf Schritten geeigneter - besonders für jüngere Lernende. Erfahrungsgemäß verstehen Schülerinnen und Schüler des Gymnasiums (ab Klasse 10) die gekoppelten Vorgänge in der Excel-Simulation mit zehn Schritten gut - zumal das zweite Excel-Arbeitblatt auch noch eine Grafik zeigt, die nur fünf Trennschritte darstellt (in Abb. 6 nicht dargestellt): man erkennt im Vergleich mit dem oberen Diagramm (zehn Trennschritte) deutlich den Unterschied, der sich mit der steigenden Zahl der Trennschritte einstellt. Hier noch zwei wichtige Hinweise: Sie können sich bei geöffneter Excel-Datei die verwendeten Formeln anzeigen lassen. Klicken Sie auf "Extras", "Formelüberwachung", "Formelüberwachungsmodus". Der "Klick-Rückweg" führt zur normalen Tabellendarstellung zurück. Beim Schließen der Excel-Datei sollten die vorgenommenen Änderungen nicht gespeichert werden (Abb. 8). So bleibt der Originalzustand der Simulationen erhalten. Im Rahmen einer Projektarbeit können die Schülerinnen und Schüler - je nach Interesse und Fähigkeiten - in selbständiger Arbeit das mathematische Modell zur multiplikativen Verteilung mit einer objekt-orientierten Programmiersprache wir zum Beispiel Visual Basic "automatisieren". So lassen sich über Hundert Trennschritte in einer "Schleife" berechnen. Die Diagramme der Auftrennung werden so erheblich klarer und aussagekräftiger. Mit der Dünnschichtchromatographie kann man Farbstoffgemische auftrennen und zeigen, dass eine scheinbar einfarbige Lösung oder die Farbe eines Faserschreibers oft aus vielen Einzelkomponenten unterschiedlicher Farbe besteht. Die Auftrennung verschiedenfarbiger Faserschreiber liefert - abhängig von der Herstellerfirma und der Farbe - optisch eindrucksvolle Resultate. Dabei kann zum Beispiel untersucht werden, welcher Herstellerfirma ein Faserschreiber zuzuordnen ist. Abb. 9 zeigt einige Ergebnisse aus Schülerversuchen. Die Betrachtung der getrockneten Chromatogramme unter langwelligem UV-Licht (UV-Lampe nicht auf die Augen richten beziehungsweise in die Lampe hineinsehen, im Idealfall Schutzbrillen verwenden!) zeigt - je nach Fabrikat und Farbe - schwach fluoreszierende Zusatzstoffe, die im Tageslicht die Brillanz der Farben erhöhen. Bereitgestellt werden müssen die Dünnschichtchromatographie-Folien (siehe "dc_versuch_1_farbstoffe.pdf"), Trennkammern mit Deckeln, eine Flasche mit vorbereitetem Fließmittel, ein Trichter, weiche Bleistifte (zur Markierung der Folien) und eventuell eine UV-Lampe mit umschaltbarem Wellenlängenbereich. Das verwendete Laufmittel enthält Acetonitril (siehe "dc_versuch_1_farbstoffe.pdf"). Es liefert in kurzer Zeit sehr gute Trennerfolge und ist für Schülerversuche noch zugelassen. Führen Sie den Versuch nur in einem gut ziehenden Abzug durch. Nach der Chromatographie wird Fließmittel aus den Gefäßen durch einen Trichter ins Vorratsgefäß zurückgegeben. Die Filter werden seitlich an die Gefäße gestellt und unter dem Abzug getrocknet. Achten Sie bei längerer Lagerung des Laufmittels auf den pH-Wert - er sollte bei etwa 7,0 liegen. Farbstifte bringen die Schülerinnen und Schüler mit. Achten Sie jedoch darauf, dass keine Permanentstifte verwendet werden. Als Lehrkräfte müssen wir bei den weiteren Versuchen dieser Unterrichtseinheit immer wieder auf die exakten Vorbereitungen zurückgreifen und uns darauf verlassen können, dass die Schülerinnen und Schüler selbstständig die Folien vorbereiten, die Stoffe auftragen und die Trennung sorgfältig durchführen können. Achten Sie bei diesem ersten Versuch daher besonders auf folgende Punkte: Sind alle Folien ordnungsgemäß vorbereitet? Sind auf den Folien Farbe und Fabrikat der Farbstifte vermerkt? Sind die Folien mit dem Namen der Arbeitsgruppe beschriftet? Weiß jede Arbeitsgruppe, welches Gefäß und welche Folie zu ihr gehört? Werden die Farbtupfer nicht zu dick aufgebracht? Zu viel Farbstoff führt zu verschmierten Flecken, daher gilt: Weniger ist mehr! Beim Auftragen der Proben lieber mehrmals tüpfeln - Proben dabei zwischendurch trocknen lassen. Lassen die Schülerinnen und Schüler die Folie einfach in die Chromatographiekammer fallen? Tauchen die Farbtupfer nicht in das Fließmittel ein? Vergleichen die Lernenden die Trennergebnisse mit anderen Arbeitsgruppen? Nach dem spielerischen Einsteig wird nun eine anspruchsvollere Aufgabe wissenschaftlich exakt bearbeitet. Die Datei "dc_versuch 2_schmerzmittel.pdf" (siehe unten) liefert neben einer Liste mit den benötigten Materialien eine genaue Versuchsvorschrift - von der Vorbereitung der Folie bis hin zur Auswertung der Ergebnisse unter UV-Licht (Abb. 10). Zeigen Sie den Schülerinnen und Schülern vor Versuchsbeginn die weißen Substanzen in Reinform (Acetylsalicylsäure, Coffein, Paracetamol; Sie benötigen diese Stoffe bei der Chromatoghraphie auch als Referenzsubstanzen). Sie werden gleich die Problematik erkennen, dass weiße (oder farblose) Stoffe auf dem weißen Folienbelag bei Tageslicht nicht sichtbar sind. Bei der Frage nach Möglichkeiten zum Nachweis "unsichtbarer" Substanzen können die Schülerinnen und Schüler - spätestens nach dem Hinweis auf die Geldscheinprüfung - die Begriffe UV-Licht oder Fluoreszenz ins Spiel bringen. Bitte halten Sie die vorgegebenen Stoff- und Lösungsmittelmengen ein - sie sind erprobt (siehe "dc_versuch 2_schmerzmittel.pdf"). Aspirin (Acetylsalicylsäure) in methanolischer Lösung sollte nicht zu lange aufbewahrt werden oder gar mit Luftfeuchtigkeit in Kontakt kommen. Es findet eine langsame Hydrolyse beziehungsweise Umesterung statt. Die entstehende Salicylsäure erzeugt im Chromatogramm oberhalb des Aspirins einen diffusen, blau fluoreszierenden Fleck, der sehr störend ist. Verwenden Sie daher nur frisch zubereitete Aspirinlösungen. Verwenden Sie als Analysenprobe möglichst Schmerztabletten, die entweder alle drei Vergleichssubstanzen oder mindestens zwei davon enthalten. Führen Sie den Versuch nur unter einem gut ziehenden Abzug durch und beachten Sie die Brennbarkeit der Lösungsmittel! Die Markierung der Lösungsmittelfront muss sofort nach der Entnahme der Folie aus dem Chromatographiegefäß erfolgen, sonst ist sie nicht mehr eindeutig erkennbar. Betrachten Sie nur völlig trockene Folien unter UV-Licht. Richten Sie die Lampe nie auf Augen. Weisen Sie die Schülerinnen und Schüler dauf hin, nie in die Lampe zu blicken (im Idealfall Schutzbrillen verwenden). Bei der Betrachtung der Folien unter UV-Licht (254 nm) fluoresziert die weiße Trägersubstanz durch ihren Fluoreszensfarbstoff grünlich. Farblose Substanzen, die nicht fluoreszieren, schwächen die Fluoreszens des Trägermaterials und machen sich als "dunkle Flecken" bemerkbar. Die Schülerinnen und Schüler umfahren diese Flecken der aufgetrennten Substanzen vorsichtig mit einem weichen Bleistift. Besonders intensive Flecke werden schraffiert. Dabei ist darauf zu achten, dass die weiße Schicht der Folie nicht beschädigt wird. Achten Sie auch darauf, dass die Gruppen ihre Markierungen bei Tageslicht kontrollieren und noch einmal mit dem Erscheinungsbild unter UV-Licht vergleichen, bevor sie die Lampe verlassen: Wurde auch kein Fleck vergessen? Wurden besonders intensive Flecken schraffiert? Dies sind die Voraussetzung für klare Aussagen: Was sind die Rf-Werte für die Referenzsubstanzen Aspirin, Coffein und Paracetamol? Welche "Flecke" mit gleichem Rf-Wert sieht man bei der Schmerzmittelprobe? Abb. 11 zeigt das Ergebnis der Auswertung eines Schülerversuchs (a: Ergebnis unter UV-Licht; b: beschriftete Originalfolie). Die Schülerinnen und Schüler zeigen sich überrascht, wenn zum Beispiel bei einer Gruppe ein "Fleck" auftaucht, der keiner Referenzsubstanz zugeordnet werden kann. Eine "heimliche" Zugabe von 100 mg Ibuprofen zur Lösung der Analysenprobe liefert einen solchen "Rätselfleck", der zu weiterführenden Überlegungen anregen und die Bedeutung der Chromatographie als einfache Methode zum Aufspüren von Verunreinigungen verdeutlichen soll: Um welchen Stoff (welche Verunreinigung) kann es sich handeln? Welche wirksamen (rezeptfreien) Substanzen zur Schmerzbekämpfung gibt es sonst noch? Wie könnte man die unbekannte Substanz identifizieren? Die Schülerinnen und Schüler können die Aufgabe erhalten, die Zusammensetzung gängiger Schmerztabletten im Internet zu recherchieren und zumindest eine Auswahl der für die Zuordnung ihrer Probe in Frage kommenden Präparate zu erstellen. Erfahrungsgemäß erweisen sie sich dabei als sehr findig! Die Schülerinnen und Schüler sollen nun auf der Basis ihrer experimentellen Erfahrungen die benötigten Geräte selbst zusammenstellen (Hilfestellung durch die Lehrkraft), die Chemikalien und Proben besorgen und den Versuch eigenverantwortlich durchführen und auswerten. Die Anleitungen zu den folgenden drei Experimenten (Trennung von Paprika-, Curry- und Blattfarbstoffen) sind daher nicht mehr so ausführlich. Gegebenenfalls können die Lernenden auch noch weitere Anleitungen recherchieren und Experimente durchführen. Beachten Sie bei den hier vorgeschlagenen Pflanzenfarbstoff-Chromatographien folgende Punkte: Frische Ausgangsmaterialien Besonders beim Paprikapulver ist darauf zu achten, dass es frisch ist und nicht längere Zeit Luft und Licht ausgesetzt wurde. Feuergefährliches Fließmittel Besondere Vorsicht ist bei der Entwicklung der Chromatogramme geboten. Dies sollte nur im gut ziehenden Abzug erfolgen. Verwenden Sie hier keine offenen Flammen, keine heißen Gegenstände und keine Handys (Fotoblitz)! Um die Entzündung feuergefährlicher Lösungsmittel auszuschließen, fotografieren Sie die Chromatogramme nie unter dem Abzug. Lichtempfindliche Substanzen Die Entwicklung der Chromatogramme findet sowieso im Abzug statt - daher dürfte Licht- oder gar Sonneneinstrahlung dabei kein Thema sein. Nach dem Trocknen sollten die Chromatogramme lichtgeschützt aufbewahrt werden. Paprikafarbstoffe Abb. 12 zeigt ein Chromatogramm von Paprika-Farbstoffen. Je nach Paprikasorte können auch weniger Banden erzielt werden. Die hier verwendeten Paprika-Früchte stammten aus Ungarn. Curry- beziehungsweise Curcuma-Farbstoffe Bei der chromatographischen Analyse von Curcuma sollten sich fünf Flecke ergeben: drei gelbe (Rf-Werte 0,17, 0,29 und 0,46) und zwei blau fluoreszierende (Rf-Werte 0,25 und 0,54). Bei Currypulver erhält man mindestens einen intensiv orangefarbigen Fleck und drei gelbe Flecke mit kleineren Rf-Werten. Die aufgetrennten Blattfarbstoffe (Abb. 13) unterscheiden sich farblich teilweise nur durch Nuancen: Carotine (goldgelb) Phaeophytin (olivgrün) Chlorophyll a (blaugrün) Chlorophyll b (gelbgrün) Lutein (graugelb) Violaxanthin (gelb) Neoxanthin (gelb) Im Unterricht kann die Dünnschichtchromatographie auch als Möglichkeit zum Nachweis von Verunreinigungen beziehungsweise Fremdsubstanzen bei illegalen Modedrogen wie Exstacy oder Speed thematisiert werden - mit dem ausdrücklichen Hinweis, dass diese toxischen Fremdsubstanzen oft einen beträchtlichen Anteil der Droge ausmachen, teils absichtlich zugegeben werden und andere bei der Herstellung unvermeidbar als Nebenprodukte entstehen, die weder bekannt noch toxikologisch geprüft sind. Die Abnehmerinnen und Konsumenten der Drogen sind daher Versuchskaninchen, um deren Gesundheit und die Spätfolgen (Krebs, cerebrale Effekte, persönlichkeitsverändernde Wirkungen) sich niemand kümmert. Die Vermeidung oder Beseitigung gesundheitsschädlicher Nebenprodukte hätte Zeit-, Substanz- und damit Einnahmeverluste der "Produzenten", Dealerinnen und Dealer zur Folge. "Cash" ist deren Maxime, das erhebliche gesundheitliche und psychische "Restrisiko" tragen allein die Abnehmer und Konsumentinnen. Dieser Aspekt ist als Übergang oder Anknüpfungspunkt zu einer fachübergreifenden Unterrichtseinheit zum Thema "Suchtstoffe und Drogen" gut geeignet.

Die Astronomie-AG des Kopernikus-Gymnasiums in Wissen (Rheinland-Pfalz) hat die Spektren verschiedener galaktischer Gasnebel aufgenommen. Physikkurse und astronomische Arbeitsgemeinschaften können das Kalibrieren des Spektrographen nachvollziehen und aus den Bilddateien selbst Spektren extrahieren und auswerten.Seit mehr als 150 Jahren ist die Spektroskopie eine tragende Säule der Astrophysik. Mit spektroskopischen Methoden wurde die chemische Zusammensetzung von Sternen, Gasnebeln und des interstellaren Mediums erforscht. In der hier vorgestellten Unterrichtseinheit werden mittels quantitativer Auswertung der Spektren einer HII-Region und dreier planetarischer Nebel die dort vorhandenen chemischen Elemente identifiziert. In einem Fall können zusätzlich Aussagen zur räumlichen Verteilung der Temperatur in den Gasen des planetarischen Nebels abgeleitet werden. Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren wurden mit einem DADOS-Spaltspektrographen der Firma Baader-Planetarium gewonnen. Abstract Inhalte der vorliegenden Unterrichtseinheit sind die Vermessung und die astrophysikalische Auswertung von Spektren der planetarischen Nebel NGC 6543 (Katzenaugennebel), M 57 (Ringnebel) und NGC 2392 (Eskimonebel), sowie der HII-Region M 42 (Großer Orionnebel). Die Spektren der planetarischen Nebel wurden mit einem DADOS-Spektrographen der Firma Baader-Planetarium als digitale Bilddateien in der Schulsternwarte der Geschwister-Scholl-Realschule in Betzdorf aufgenommen. Das Spektrum der HII-Region Orionnebel wurde im Rahmen eines Praktikums am Observatorium Hoher List des Argelander-Instituts für Astronomie der Universität Bonn gewonnen (ebenfalls mit dem DADOS). Mithilfe kostenlos zugänglicher oder üblicherweise vorhandener Software werden aus den Bilddateien Spektren extrahiert, aus denen die chemische Zusammensetzung der betrachteten Himmelsobjekte und teilweise auch die räumliche Verteilung der vorkommenden Elemente erschlossen werden. Klassische Themen des Oberstufenlehrplans, Wellenoptik und Atommodelle, werden unter astrophysikalischen Aspekten betrachtet und mit modernen Methoden der rechnergestützten Datenverarbeitung und -auswertung verknüpft. Fachliche Grundlagen Physikalische Grundlagen Bohrsches Atommodell, Energieniveaus und Spektrallinienserien des Wasserstoffatoms und Entstehung der Emissionsspektren galaktischer Gasnebel werden kurz erläutert. HII-Regionen Die Photonen heißer Sterne ionisieren Wasserstoffatome interstellarer Gaswolken und bringen diese zum Leuchten. Planetarische Nebel Darstellung der Bedeutung des hydrostatischen Gleichgewichts im Leben eines Sterns sowie Informationen zur Entstehung und zu den Eigenschaften planetarischer Nebel Material, Methoden und Ergebnisse Aufbau und Kalibrierung des DADOS-Spektrographen Informationen zum verwendeten DADOS-Spaltspektrograph und zu den Teleskopen, mit denen die Spektren aufgenommen wurden Spektrum der HII-Region Orionnebel Ausführliche Beschreibung des Verfahrens zur Kalibrierung des Spektrographen mit einer Energiesparlampe und Dokumentation der Ergebnisse Spektren planetarischer Nebel Hinweise zur Auswertung der Spektren, Beschreibung einer vereinfachten Auswertung und Ergebnisse: Elemente und deren räumliche Verteilung in den Nebeln Die Schülerinnen und Schüler sollen Fotoionisation und Lichtemission im Bohrschen Atommodell erklären und beschreiben können. die Entwicklung sonnenähnlicher Sterne über das Riesenstadium bis hin zu weißen Zwergen mit planetarischen Nebeln verstehen. HII-Regionen und ihre charakteristischen Eigenschaften kennen lernen. die Funktionsweise eines Reflexionsgitterspektrographen verstehen. die mit einem Gitterspektrographen gewonnenen Spektren mithilfe des bekannten Spektrums einer Energiesparlampe kalibrieren. aus digitalen Bilddateien Spektren extrahieren, in denen jeder Wellenlänge im sichtbaren Bereich eine Intensität zugeordnet ist. aus Spektren die chemische Zusammensetzung astronomischer Objekte bestimmen. aus dem Spektrum des Ringnebels M 57 Aussagen zur unterschiedlichen räumlichen Verteilung der Elemente Wasserstoff und Sauerstoff in diesem planetarischen Nebel ableiten. Thema Spektroskopie an galaktischen Gasnebeln Autoren Andreas Gerhardus, Daniel Küsters, Peter Stinner Fächer Physik, Astronomie, Astronomie-AGs Zielgruppe Sekundarstufe II Zeitraum je nach Umfang und Intensität 4 bis 10 Stunden Technische Voraussetzungen Rechner mit Internetzugang für die Einzel-, Partner- oder Kleingruppenarbeit Software Astroart (kostenloser Download der Astroart-Demoversion ) zur Erstellung von Intensitätsprofilen längs beliebiger gerader Linien in Bilddateien; Tabellenkalkulationssoftware, hier MS-Excel Für das Praktizieren der Auswertungsmethodik benötigen Sie neben dem "Hilfsmittel-Ordner" nur die Inhalte eines der vier übrigen Ordner. Wenn Sie sich auf ein Beispiel beschränken möchten, ist eine "Grundausrüstung" aus "Hilfsmittel-Ordner" und "M42.zip" zu empfehlen. Daniel Küsters legte im März 2009 sein Abitur am Kopernikus-Gymnasium Wissen (Rheinland-Pfalz) ab. Zurzeit ist er Praktikant bei der Firma EADS Astrium Satellites. Dort beschäftigt er sich im Rahmen einer Definitionsstudie mit experimentellen Untersuchungen für das geplante Weltraum-Gravitationsinterferometer LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Peter Stinner ist Lehrer für Physik und Mathematik am Kopernikus-Gymnasium in Wissen (Rheinland-Pfalz). Mit der Wissener Astronomie-AG betreibt er die Sternwarte der Geschwister-Scholl-Realschule in Betzdorf. Das Bohrsche Atommodell Objekte der spektroskopischen Untersuchungen in dieser Unterrichtseinheit sind planetarische Nebel und HII-Regionen. Die entsprechenden Spektren wurden mit einem Reflexionsgitterspektrographen aufgenommen. Um eine fundierte Basis für die praktische Arbeit zu schaffen, werden hier zunächst grundlegende Informationen zur Theorie der Lichtabsorption und -emission vorangestellt. Nach dem Bohrschen Atommodell gibt es für Elektronen in einem Atom oder Ion verschiedene diskrete Energieniveaus, so genannte Quantenzustände. Es ist nicht möglich, dass die Elektronenenergie Zwischenwerte annimmt. Niels Bohr (1885-1962) schrieb jedem dieser Zustände eine bestimmte Kreisbahn eines Elektrons um den Atomkern zu. Energieniveaus und Spektrallinienserien des Wasserstoffatoms Normalerweise hält das Elektron sich auf dem Grundzustand (n = 1), der Stufe mit der niedrigsten Energie, auf. Der Begriff "Grundzustand" rührt daher, dass das Elektron nach kurzer Zeit immer wieder von den höheren Stufen in diesen Zustand zurückfällt. Theoretisch gibt es unendlich viele dieser Quantenzustände, deren Energiedifferenzen jedoch immer geringer werden, und deren Energie gegen einen bestimmten Wert, die Ionisationsgrenze, konvergiert. Wenn man die Gesamtenergie eines Elektrons im Wasserstoffatom an der Ionisierungsgrenze zu Null Elektronenvolt (eV) festlegt, dann hat es im Grundzustand eine Energie von -13,6 Elektronenvolt. Zur Ionisierung eines Wasserstoffatoms ist also eine Mindestenergie von 13,6 Elektronenvolt erforderlich. Die Energieniveau-Schemata der Atome anderer Elemente sind deutlich komplizierter. Allen gemeinsam ist aber das Auftreten von diskreten Energieniveaus. Der Wechsel zwischen zwei diskreten Energiestufen ist mit Aufnahme oder Abgabe von Energie verbunden. Dies erfolgt entweder strahlungslos durch eine Kollision mit einem anderen Teilchen, oder aber durch Absorption (Energie wird aufgenommen) oder Emission (Energie wird abgegeben) eines Lichtquants, eines so genannten Photons. Besitzt ein absorbiertes Lichtquant mehr Energie, als zwischen Grundzustand und Ionisationsgrenze liegt, löst sich das Elektron vom Atom. Dieser Vorgang wird als Photoionisation genannt. So entstandene freie Elektronen werden nach einer gewissen Zeit wegen der elektrischen Anziehungskräfte von Wasserstoffionen (Protonen) wieder "eingefangen". Auf dem Weg in den Grundzustand geben diese Elektronen 13,6 Elektronenvolt ab. Diese Energie kann sich gemäß Abb. 1 auf mehrere Photonen verteilen, deren einzelne Energien erlaubten Energiedifferenzen entsprechen. Auf diese Weise entstehen Emissionslinienspektren, die sich von Element zu Element unterscheiden. In galaktischen Gasnebeln sind unterschiedliche Elemente vorhanden, was zur Folge hat, dass sich das Spektrum dieser Nebel aus den Emissionslinienspektren der beteiligten Elemente zusammensetzt. Damit werden Rückschlüsse auf die im Gasnebel vorhandenen Elemente möglich. Etwa 70 Prozent des interstellaren Gases bestehen aus atomarem Wasserstoff. Man unterscheidet Wolken aus neutralem Wasserstoff, HI (lies: "H-eins"), und ionisiertem Wasserstoff HII (lies: "H-zwei"). Wolken aus neutralem Wasserstoff, die sich fernab von sehr heißen Sternen befinden, sind im sichtbaren Bereich der elektromagnetischen Strahlung nicht beobachtbar, weil kein Mechanismus zur Verfügung steht, der die Elektronen der Wasserstoffatome aus dem Grundzustand in einen höheren Energiezustand befördert. Folglich werden auch keine Photonen emittiert. Anders ist die Situation in der Nähe von leuchtkräftigen und heißen Sternen. Die Strahlung von Sternen mit einer Oberflächentemperatur über 20.000 Kelvin enthält Photonen mit mehr als 13,6 Elektronenvolt in hinreichender Anzahl, um genügend viele Wasserstoffatome zu ionisieren. Bei deren Rekombination entsteht nach den im Kapitel Physikalische Grundlagen beschriebenen Mechanismus das sichtbare Wasserstoffspektrum. Neben Wasserstoff enthalten HII-Regionen auch Sauerstoff, Helium und Stickstoff. Auch deren Emissionslinien sind in den Spektren von HII-Regionen vertreten. Ein Paradebeispiel für eine HII-Region ist der bekannte Orionnebel. Das Foto des Nebels in Abb. 3 (zur Vergrößerung anklicken) entstand im Rahmen eines Beobachtungspraktikums unserer Astronomie-AG im Observatorium Hoher List in der Eifel. Als ersten planetarischen Nebel entdeckte Charles Messier (1730-1817) im Jahr 1764 den Hantelnebel M 27 im Sternbild Füchslein. Weil die meisten früh entdeckten planetarischen Nebel in den damaligen Teleskopen dem Erscheinungsbild der Planetenscheibchen der Gasplaneten ähnelten, prägte Wilhelm Herschel (1738-1822) diesen irreführenden Begriff. Planetarische Nebel haben nichts mit Planeten zu tun. Vielmehr handelt es sich um von einem Stern abgestoßene gasförmige Materiewolken, die durch diesen, den so genannten Zentralstern, zum Leuchten angeregt werden. Das hydrostatische Gleichgewicht: Gravitation und Strahlungsdruck Planetarische Nebel entstehen immer dann, wenn sich das "Leben" eines Sterns von ein bis fünf Sonnenmassen dem Ende nähert. Während der überwiegenden Zeit seines Lebens fusioniert ein Stern in seinem Inneren Wasserstoff zu Helium. Dadurch entsteht ein nach außen gerichteter Strahlungsdruck, der der eigenen Gravitation des Sterns entgegenwirkt und somit verhindert, dass er kollabiert (Abb. 4). Die Patt-Situation dieser Kräfte bezeichnet man als hydrostatisches Gleichgewicht. Abnahme des Strahlungsdrucks führt zur Kontraktion eines Sterns Nachdem der Wasserstoffvorrat weitgehend aufgebraucht ist, nimmt der Strahlungsdruck eines Sterns ab. Dann beginnt er, sich unter seiner eigenen Gravitation zusammenzuziehen. Durch die Verdichtung steigt die Temperatur des Sterns an. Damit werden die Bedingungen für die Fusion von Helium zu schwereren Elementen, wie zum Beispiel Kohlenstoff und Sauerstoff, geschaffen. Weil die Temperatur des Sterns nach außen hin abfällt, nimmt auch die relative Häufigkeit der schweren Elemente entsprechend nach außen hin ab. Der Stern pulsiert Die äußeren Regionen des Sterns verlieren nach und nach ihre Masse in Form von Sternenwind: Da die Reaktionsgeschwindigkeit der Heliumfusion proportional zu einer sehr hohen Potenz der Temperatur ist (Literaturangaben zum Grad der Potenz sind widersprüchlich!), erhöht sich der Strahlungsdruck bereits bei einem leichten Temperaturanstieg übermäßig. Als Folge dessen dehnt sich die äußere Schicht des Sterns zunächst aus. Dadurch verliert sie an Temperatur und kontrahiert wieder, es entsteht eine Pulsation. Die Expansionsgeschwindigkeit der abgestoßenen Materie beträgt etwa 25 Kilometer pro Sekunde. Durch den Sternenwind wird der heiße Kern immer weiter freigelegt, weshalb später auch ein Anteil der schwereren Elemente abgestoßen wird. Der heiße Zentralstern bringt das abgestoßene Gas zum Leuchten Mit der Zeit steigt somit die Oberflächentemperatur des Zentralsterns. Entsprechend verschiebt sich sein Strahlungsmaximum in den ultravioletten Bereich. Deshalb werden überwiegend hochenergetische Photonen emittiert, welche das abgestoßene Gas nach den bereits dargestellten Mechanismen zum Leuchten anregen. Ein planetarischer Nebel ist entstanden. Planetarische Nebel bestehen zu etwa 70 Prozent aus Wasserstoff, 28 Prozent Helium und neben geringen Mengen anderer Elemente aus Stickstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff. Diese Metalle - so bezeichnen Astronomen alle Elemente, die schwerer als Helium sind - stellen einen wichtigen Schritt in der Entwicklung des Universums dar. Sie werden im interstellaren Raum angereichert und sind ein wichtiger Baustoff für die Entstehung der nachfolgenden Sternengenerationen, von Planeten und von Leben. Form Nur jeder fünfte planetarische Nebel ist kugelförmig. Alle anderen haben komplexe oder bipolare Strukturen, wobei die Gestalt formenden Mechanismen nicht eindeutig geklärt sind (Abb. 5). Ursachen könnten Magnetfelder oder Wechselwirkungen mit massereichen Objekten sein. Größe Die Radien der planetarischen Nebel liegen in der Größenordnung von 0,2 Parsec (1 Parsec = 3,3 Lichtjahre). Durch die oben beschriebene Expansion werden sie zunehmend diffuser und vermischen sich mit der interstellaren Materie. Ab einem Radius von etwa 0,7 Parsec emittieren sie so wenig Strahlung, dass sie unsichtbar werden. Flüchtige Erscheinungen Planetarische Nebel sind aufgrund ihrer Expansion in der Regel nur etwa 10.000 Jahre sichtbar. Nach astronomischen Maßstäben ist das eine äußerst kurze Zeitspanne. Umso erstaunlicher ist es, dass man momentan 1.500 planetarische Nebel in unserer Galaxie kennt. Ihre tatsächliche Anzahl auf wird 10.000 bis 50.000 geschätzt. Dichte Die mittlere Dichte der planetarischen Nebel beträgt meist weniger als 10.000 Teilchen pro Kubikzentimeter. Das entspricht dem besten auf der Erde erzeugbaren Hochvakuum. Aus diesem Grund dienen planetarische Nebel den Astrophysikern auch als "Weltraumlaboratorien", deren Bedingungen auf der Erde kaum zu erzeugen sind. Vom mysteriösen Element "Nebulium" In den Spektren planetarischer Nebel und des Orionnebels treten im blauen Spektralbereich starke Emissionslinien bei 495,9 Nanometern und bei 500,7 Nanometern auf (siehe Abb. 9). Lange Zeit misslangen alle Versuche, diese Linien in Verbindung mit Spektrallinien bekannter Elemente zu bringen. Man ging daher von einem neuen Element aus, dass man "Nebulium" nannte. Erst 1927 konnte gezeigt werden, dass es sich bei den fraglichen Spektrallinien um "verbotene Linien" des zweifach positiv geladenen Sauerstoff-Ions handelt. Dieser wird als OIII (lies: "O-drei") bezeichnet. Entstehung der verbotenen OIII-Linien Bei der Entstehung dieser Linien spielen so genannte metastabile Energiezustände des OIII die entscheidende Rolle. Die Lebensdauer solcher Zustände, das heißt die Verweildauer der Elektronen auf diesen Energieniveaus, liegt um mehrere Größenordnungen über der von normalen Niveaus. Die zweifach positiv geladenen Sauerstoff-Ionen gelangen durch Lichtabsorption in hoch liegende Energiezustände und aus diesen durch Lichtemission auch in metastabile Zustände. Bei der Entstehung der "verbotenen Linien" gehen Elektronen von einem metastabilen Energiezustand in einen tieferen Zustand über. Aus Gründen der Drehimpulserhaltung muss bei solchen Übergängen elektromagnetische Strahlung höherer Multipolordnungen entstehen, was nur mit äußerst geringer Wahrscheinlichkeit der Fall ist. Warum sind verbotene OIII-Linien nicht auf der Erde zu beobachten? Die Lebensdauer eines metastabilen Zustands ist so groß, dass auf der Erde auch beim bestmöglichen Vakuum ein OIII-Ion in einem solchen Zustand seine Energie durch einen Stoß mit einem anderen Atom oder Ion strahlungslos verliert, bevor es sie zum Beispiel als elektromagnetische Quadrupolstrahlung abgeben kann. Daher sind die OIII-Linien bei 495,9 Nanometern und bei 500,7 Nanometern auf der Erde nicht zu beobachten. In galaktischen Gaswolken ist die Konzentration der Atome beziehungsweise Ionen jedoch geringer als in dem besten irdischen Vakuum. Stöße der OIII-Teilchen im metastabilen Zustand finden dort also so gut wie keine statt. Daher kann auch keine strahlungslose Energieabgabe stattfinden. Da die Wahrscheinlichkeit für die "verbotenen Übergänge" zwar klein, aber größer als Null ist, zerfallen die metastabilen Zustände dann irgendwann durch Photonenemission und erzeugen so die Linien des "Nebuliums" (Frank Gieseking, Planetarische Nebel Teil 1, Sterne und Weltraum, 1983/2, Seite 68-74; Planetarische Nebel Teil 3, Sterne und Weltraum, 1983/7, Seite 336-341). Aufbau des Geräts Die dieser Unterrichtseinheit zugrunde liegenden Spektren wurden mit einem DADOS-Spaltspektrographen der Firma Baader-Planetarium gewonnen (Abb. 6). Die Teleskop-Optik bündelt das Licht eines zu spektroskopierenden Objekts auf den Spektrographenspalt. Das aus dem Spalt austretende Licht geht durch eine Kollimatorlinse, um dann als paralleles Lichtbündel auf ein Reflexionsgitter zu treffen. Dieses Gitter ist das dispergierende Element, welches das Licht in seine spektralen Bestandteile zerlegt. Eine zweite Kollimatorlinse nach dem Gitter leitet das in die vorhandenen Spektralfarben aufgespaltene Licht zur visuellen Beobachtung oder zur Fotografie weiter. Der DADOS-Spektrograph besitzt drei nebeneinander liegende Spalte unterschiedlicher Breite. Ist man an einer großen Auflösung interessiert, wählt man den schmalen Spalt. Ist man auf kurze Belichtungszeiten angewiesen, verwendet man den breiten Spalt. Die Spalte des DADOS besitzen folgende Breiten: 50 Mikrometer 25 Mikrometer 35 Mikrometer Bei der Spektroskopie des großflächigen Orionnebels konnte die Astronomie-AG Wissen im Rahmen eines Praktikums das RC-Teleskop des Observatoriums Hoher List nutzen. Das Bild des Nebels leuchtete dabei alle drei Spalte gleichzeitig aus. Die Aufnahme in Abb. 7 zeigt daher drei Spektren mit unterschiedlichen Auflösungen und Helligkeiten (oben: Spaltbreite 50 Mikrometer; mittig: Spaltbreite 25 Mikrometer; unten: Spaltbreite 35 Mikrometer). Bei weniger ausgedehnten Objekten, wie zum Beispiel den planetarischen Nebeln, lässt sich nur einer der drei Spalte ausleuchten. Zwei Methoden Nachdem ein Spektrum aufgenommen wurde, stellt sich die Frage, welche Lichtwellenlänge von welchem Ort im Bild des Spektrums repräsentiert wird. Der Spektrograph muss kalibriert (geeicht) werden. Dafür setzten wir zwei Verfahren ein: Spektrallinien des Wasserstoffs Die erste Methode nutzt die in jedem Gasnebel vorhandenen Spektrallinien des Wasserstoffs als Bezugswellenlängen und kommt daher ohne eine zusätzliche Kalibrierlichtquelle aus. Die Vorgehensweise wird im Zusammenhang mit der Auswertung des Spektrums von NGC 2392 (Eskimonebel) erläutert (siehe Spektren planetarischer Nebel ). Spektrallinien von Energiesparlampen Formal richtiger und methodisch exakter - allerdings auch aufwändiger - ist das zweite Verfahren, bei dem eine externe Lichtquelle genutzt wird, die hinreichend viele und möglichst genau bekannte Wellenlängen emittiert, die über das gesamte sichtbare Spektrum verteilt sind. Diese Anforderungen an eine Kalibrierlichtquelle erfüllen handelsübliche und preiswerte Energiesparlampen. Die Methode wird ausführlich bei der Auswertung des Orionnebel-Spektrums beschrieben (siehe Spektren planetarischer Nebel ). Hinweise zur Kalibrierung Für die Kalibrierung des Spektrographen nimmt man unmittelbar nach der Aufnahme jedes auszuwertenden Spektrums ein Spektrum der Energiesparlampe auf. Wichtig ist dabei, dass zwischen beiden Aufnahmen an der Apparatur (Teleskop, optische Zusatzteile, Spektrograph, Aufnahmekamera) keine Änderungen vorgenommen werden. Jedes ausgetauschte optische Bauteil und jede Änderung der Gitterposition im Spektrographen ändern den Ort einer bestimmten Spektrallinie auf dem Sensor der Kamera. Die Technik des Kalibriervorgangs wird noch im Zusammenhang mit der Vermessung des Orionnebel-Spektrums ausführlich beschrieben ( Spektrum der HII-Region Orionnebel ). Observatorium Hoher List Der Spektrograph war zur Untersuchung des Orionnebels am Ritchey-Chretien-Teleskop (kurz: RC-Teleskop) des Observatoriums Hoher List montiert. Dieses Spiegelteleskop ist mit einer Brennweite von 4,80 Metern und dem Objektivdurchmesser 60 Zentimetern ein vergleichsweise großes Gerät. Schulsternwarte Betzdorf Etwas bescheidener sind die Dimensionen des C8-Teleskops in der Schulsternwarte der Geschwister-Scholl-Realschule in Betzdorf, mit dem die Spektren der planetarischen Nebel aufgenommen wurden. Abb. 9 zeigt den experimentellen Aufbau. Aufnahmeoptik ist ein Celestron-8-Schmidt-Cassegrain-Spiegelteleskop mit einer Brennweite von 2 Metern und einem Objektivdurchmesser von 20 Zentimetern. Daran sind nacheinander ein Klappspiegel, der DADOS-Spektrograph und eine digitale Spiegelreflexkamera angebaut. Die Klappspiegeleinheit kann das Licht entweder unmittelbar auf den Spektrographenspalt weiterleiten oder den Strahlengang des Teleskops um 90 Grad in ein Okular umlenken. Letzteres macht man, um ein zu spektroskopierendes Objekt überhaupt erst einmal zu finden und dann in der Mitte des Teleskopgesichtsfelds zu platzieren. Dann wird der Spiegel umgeklappt und das Objektbild auf den DADOS-Spalt zentriert. Jetzt kann die Belichtung ausgelöst werden, die typischerweise 45 bis 60 Minuten erfordert. Während dieser Zeit muss die Nachführung des Teleskops hochgradig präzise laufen, da sonst das Bild unseres Untersuchungsobjekts ganz schnell vom Spektrographenspalt verschwinden würde. Dazu wird über ein Linsenfernrohr als so genanntes Leitrohr mit einer ST4-CCD-Kamera die Position eines Sterns beobachtet. Ändert sich die Sternposition auf dem Sensor der ST4-Kamera, dann erhält die Teleskopnachführung einen Impuls, der diese Abweichung korrigiert. Bei der Vermessung des Spektrums von M 42, einer HII-Region, wurde für die Kalibrierung des Spektrographen das Spektrum einer handelsüblichen Energiesparlampe verwendet. Das gesamte Verfahren der Vermessung und Auswertung verläuft über folgende Schritte: Nach der Aufnahme des Spektrums von M 42 wird mit der kostenfreien Demoversion von Astroart eine Intensitätskurve des Spektrums erstellt. Die Intensitätskurve von M 42 wird als TXT-Datei gespeichert und in ein Tabellenkalkulationssystem (hier Excel) importiert. Die Daten werden in Excel als Intensitätskurve dargestellt. Mit einem nach der Spektroskopie des Nebels ohne Veränderung an den Geräten (!) aufgenommenen Spektrum der Energiesparlampe wird analog verfahren. Mithilfe eines vorhandenen, exakt ausgemessenen Kalibrierungsspektrums der Energiesparlampe (spektrum_energiesparlampe.jpg) wird dann eine Kalibrierungsfunktion ermittelt. Aus der gewonnenen Formel der Kalibrierungsfunktion berechnet Excel für jede Pixelnummer des Spektrums von M 42 die zugehörige Wellenlänge. Materialien bei Lehrer-Online Das gesamte Verfahren wird ausführlich in der Datei "spektrum_vermesseung_m42.pdf" beschrieben. Die Schritt-für-Schritt-Anleitung veranschaulicht die Arbeit mit den Programmen Astroart und Excel per Screenshots. Alle weiteren Daten und Dateien, mit denen Sie die Prozedur selbst durchführen können, stehen im Folgenden einzeln und in den ZIP-Archiven auf der Startseite der Unterrichtseinheit als Pakete zur Verfügung. Die Ergebnisse sind in Abb. 10 und Abb. 11 (zur Vergrößerung anklicken) dargestellt. Im Orionnebel konnte eindeutig das Vorkommen folgender Stoffe nachgewiesen werden: ionisierter Wasserstoff zweifach ionisierter Sauerstoff neutrales Helium einfach ionisierter Stickstoff Es ist bemerkenswert, dass der Nachweis der beiden Linien des zweifach ionisierten Sauerstoffs bei etwa 500 Nanometern so deutlich gelungen ist. Da diese Linien "verboten" sind, konnten wir zeigen, dass die Materiedichte in M 42 (ebenso wie in den betrachteten planetarischen Nebeln) sehr gering ist - noch geringer als im besten künstlich hergestellten Vakuum auf der Erde. Die Entstehung dieser verbotenen Linien wurde bereits im Kapitel Planetarische Nebel erläutert. Anfangs- und Endpunkte für die Profillinien Das Verfahren bei der Konstruktion und Auswertung der Spektren planetarischer Nebel unterscheidet sich nicht von der Vorgehensweise bei der Bearbeitung des Spektrums der HII-Region M 42. Die benötigten Bilddateien und unsere eigenen Auswertungen (Excel-Dateien) können Sie hier einzeln (siehe unten) oder als ZIP-Archive auf der Startseite der Unterrichtseinheit herunterladen. Der Erfolg einer Auswertung hängt von der Wahl der Linie in der Bilddatei eines Spektrums ab, längs der das Intensitätsprofil ermittelt wird. Wir empfehlen folgende Anfangs- und Endpunkte für die Profillinien (die vorgeschlagenen Profile sind natürlich nicht die einzig möglichen): Katzenaugennebel (NGC 6543) (X1; Y1) = (1208, 1301) bis (X2; Y2) = (2248; 1375) Eskimonebel (NGC 2392) (X1 ;Y1) = (1265; 1415) bis (X2; Y2) = (2210; 1515) Ringnebel (M 57) (X1; Y1) = (1220; 1260) bis (X2; Y2) = (2185; 1330) Asymmetrische Spektrallinien Bei der Aufnahme der Spektren von planetarischen Nebeln wurde der mit 50 Mikrometern breiteste der drei DADOS-Spalte verwendet. Ungenauigkeiten bei der Nachführung des Teleskops führen bei sehr hellen Spektrallinien zu Asymmetrien. Abb. 12 zeigt am Beispiel der unsymmetrischen OIII-Linie bei 495,6 Nanometern im Spektrum des Katzenaugennebels (NGC 6543), wie man den "Linienschwerpunkt" dennoch recht genau ermitteln kann: Man druckt den fraglichen Teil des Spektrums aus und bestimmt durch Nachmessen die Linienbreiten bei verschiedenen Intensitäten (rote Linien in Abb. 12). Das arithmetische Mittel der Pixelnummern bei den Linienmitten liefert die Pixelnummer des Linienschwerpunkts, die dann in die Auswertung eingeht. Die Excel-Datei "NGC6543_komplettauswertung.xls" (siehe unten) enthält bereits Profile wie in Abb. 12 für die drei hellsten Spektrallinien. Vereinfachtes Auswertungsverfahren Das hier am Beispiel des Eskimonebels (NGC 2392) vorgestellte Kalibrierungsverfahren setzt die Existenz der Spektrallinien der Balmerserie des Wasserstoffs im Nebelspektrum voraus und nutzt diese (in jedem galaktischen Gasnebel vorhandenen Spektrallinien) als Bezugswellenlängen. Es kommt daher ohne den zeitaufwändigen Vorgang der Kalibrierung auf der Basis des Energiesparlampenspektrums aus. Im Vergleich zu dem für den Orionnebel (M 42) beschriebenen Verfahren ist es methodisch jedoch weniger exakt. Informationen zum Nebel Der Katzenaugennebel (NGC 6543) befindet sich im Sternbild Drache. Verglichen mit fast allen anderen bekannten planetarischen Nebeln ist er sehr komplex strukturiert. Hochauflösende Aufnahmen des Hubble-Weltraumteleskops (Abb. 13) enthüllten außergewöhnliche Strukturen wie Knoten, Jets und bogenartige Merkmale. NGC 6543 wurde am 15. Februar 1786 von Wilhelm Herschel entdeckt. Es war der erste planetarische Nebel, dessen Spektrum im Jahr 1864 untersucht wurde. Der zentrale Stern der Spektralklasse O besitzt eine Oberflächentemperatur von 60.000 Kelvin und bringt die Atome und Ionen des Nebels zum Leuchten. Spektrum des Katzenaugennebels Abb. 14 zeigt das DADOS-Spektrum des Katzenaugennebels zusammen mit dem kontinuierlichen Spektrum des Zentralsterns. Man findet darin die vom Orionnebel her bekannten Linien von Wasserstoff und zweifach ionisiertem Sauerstoff (OIII). Im Unterschied zu den anderen untersuchten planetarischen Nebeln enthält NGC 6543 auch neutrales Helium. Ionisiertes Helium fehlt im Katzenaugennebel. Informationen zum Nebel Der Eskimonebel (NGC 2392) ist ein planetarischer Nebel im Sternbild Zwillinge. Er ist ungefähr 3.000 Lichtjahre von uns entfernt. Abb. 15 zeigt eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops. Der Nebel ist vor einigen Tausend Jahren entstanden, als der etwa sonnengroße Zentralstern seine äußere Hülle durch eine Eruption abgeworfen hat. Seine Leuchtkraft übertrifft die der Sonne um das 40fache. Der Eskimonebel expandiert in 30 Jahren um etwa eine Bogensekunde. Spektrum des Eskimonebels Das DADOS-Spektrum des Eskimonebels ist in Abb. 16 dargestellt. Dem Linienspektrum des Gasnebels ist das kontinuierliche Spektrum des Zentralsterns überlagert. Am Beispiel des Eskimonebels wird oben ein vereinfachtes Auswertungsverfahren beschrieben, bei dem die Spektrallinien des im Nebel vorhandenen Wasserstoffs als Bezugswellenlängen genutzt werden. Das Verfahren kann natürlich auch auf alle anderen Nebel angewendet werden. Informationen zum Nebel Der Ringnebel (M 57) ist der Überrest eines Sterns, der vor etwa 20.000 Jahren seine äußere Gashülle abgestoßen hat. Letztere dehnt sich heute mit einer Geschwindigkeit von etwa 20 Kilometern pro Sekunde aus. Abb. 17 zeigt eine Aufnahme des Hubble-Weltraumteleskops. Der scheinbare Durchmesser des Nebels beträgt derzeit zwei Bogenminuten. Bei einer Entfernung von 2.300 Lichtjahren entspricht dies einem absoluten Durchmesser von etwa 1,3 Lichtjahren. Das ringförmige Aussehen des Nebels im Teleskop prägte den Namen "Ringnebel in der Leier". Im Zentrum des Nebels befindet sich ein weißer Zwergstern mit einer Oberflächentemperatur in der Größenordnung von 100.000 Kelvin. Spektrum des Ringnebels Im Spektrum von M 57 (Abb. 18), aber auch in dem des Katzenaugennebels (Abb. 14), erkennt man neben den beschrifteten Emissionslinien des Nebels zahlreiche weitere Linien. Diese können nicht von den Nebeln stammen, denn ihre Form lässt erkennen, dass ihr Licht jeweils den gesamten Spalt ausgeleuchtet hat. Es handelt sich hierbei um das Spektrum der Lichtverschmutzung, also der Aufhellung des Nachthimmels durch künstliche Beleuchtung. Am meisten fallen die blaue und die grüne Linie der weit verbreiteten Quecksilberlampen auf, wobei die blaue Linie fast mit der H-gamma-Linie zusammenfällt. Temperaturverteilung im Ringnebel Das Spektrum des Ringnebels M 57 zeigt eine weitere Besonderheit (Abb. 18): Die "Breite" der Spektrallinien erscheint an deren oberen und unteren Rändern deutlich größer als im zentralen Bereich. Aus dieser Beobachtung ergeben sich Aussagen über die Temperaturen in verschiedenen Zonen des Nebels. Während der gesamten Belichtungszeit des Spektrums war der Ringnebel, wie in Abb. 18 veranschaulicht, auf den Spektrographenspalt fokussiert. Die sichtbare "Ringform" des Nebels führte deshalb dazu, dass der Spalt inhomogen ausgeleuchtet wurde. In Abb. 18 sind zwei Intensitätsprofile zu sehen, welche längs der hellsten Spektrallinien von Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen wurden (gelbe Linien in Abb. 18). Daraus lassen sich Aussagen zur Temperaturverteilung im Nebel ableiten: Wasserstoff Der Wasserstoff ist im inneren Bereich des Nebels fast vollständig ionisiert (Ionisierungsenergie 13.6 eV, siehe Abb. 1. Man beobachtet kaum Licht von Linien der Balmerserie, da diese beim Einelektronensystem Wasserstoff nur im neutralen Zustand entstehen können. Die sichtbare Außenkante des Ringnebels, das heißt der Intensitätsabfall an den äußeren Flanken der Kurve im rechten Diagramm von Abb. 18, beschreibt nicht die Grenze der räumlichen Wasserstoffverteilung, sondern den Bereich, in dem die Temperatur unter etwa 5.000 K sinkt. Die höheren Energieniveaus für Balmer Linien können dann nicht mehr besetzt werden. Sauerstoff Beim Sauerstoff sind die Verhältnisse deutlich komplizierter: Man benötigt 13,6 eV, um vom neutralen OI zum einfach ionisierten OII zu kommen und weitere 35.1 eV, um OII ein weiteres Mal zu OIII zu ionisieren. Zusätzlich sind weitere 5.4 eV erforderlich, um im zweifach ionisierten Sauerstoff OIII den für die Entstehung der Linien bei 500,7 Nanometer und 495.9 Nanometer erforderlichen Energiezustand besetzen zu können. Diese insgesamt 54, 1 eV erhält ein Sauerstoffatom in mindestens drei aufeinander folgenden Prozessen von Photonen aus der Strahlung des Zentralsterns des Nebels. Einfache Schlüsse aus dem Verlauf der Kurve im linken Diagramm von Abb. 18 sind deshalb nicht möglich. Genauigkeit der Messungen Die von uns ermittelten Wellenlängen der Emissionslinien im Orionnebel (siehe Abb. 11 ) weichen von den Literaturwerten nur um einige Zehntel Nanometer ab. Die experimentellen Fehler in den Spektren der planetarischen Nebel (siehe Excel-Dateien bei den Downloadmaterialien) liegen zwischen Null und 1,5 Nanometern. Dies ist damit zu erklären, dass die Spektren der planetarischen Nebel mit dem breitesten der DADOS-Spalte aufgenommen wurden. In den Bilddateien werden die Emissionslinien damit automatisch breiter und bei Nachführfehlern zusätzlich unsymmetrisch. Rauschminderung Schwache Linien, die vom Auge in den Bildern eindeutig erkannt werden, verschwinden in den Intensitätsprofil-Spektren öfter im Rauschen. Wer bereit ist, zur Rauschminderung mehr Aufwand zu betreiben, kann natürlich länger belichten. Man kann auch mehrere parallele Linien durch die Spektren legen und die zugehörigen Intensitätskurven Punkt für Punkt aufsummieren. Damit "simuliert" man eine längere Belichtungszeit. Auf diese Weise sollte das Rauschen drastisch vermindert werden, so dass schwache Linien besser erkennbar werden. Frank Gieseking Planetarische Nebel Teil 1, Sterne und Weltraum, 1983/2, Seite 68-74 Frank Gieseking Planetarische Nebel Teil 3, Sterne und Weltraum, 1983/7, Seite 336-341

Die Existenz der tropischen Regenwälder ist akut bedroht. Anhand eines spannenden Krimispiels setzen sich Schülerinnen und Schüler ab der 7. Klasse mit dem Ökosystem Regenwald und der Vernetzung mit unserer Lebens- und Konsumwelt auseinander.Die Vielfalt der Lebewesen, die unsere Erde bewohnen, ist überwältigend. Knapp 1,5 Millionen Pflanzen- und Tierarten sind uns bekannt. Wissenschaftlichen Schätzungen zufolge leben auf der Erde aber sogar mindestens 5 Millionen Arten. Über zwei Dritteln davon bieten die tropischen Regenwälder Schutz und Nahrung - doch die Existenz der artenreichsten natürlichen Lebensräume ist akut bedroht. Die Gesamtfläche der Regenwälder, die noch vor weniger als einem Jahrhundert mehr als ein Zehntel der Landfläche der Erde bedeckten, ist inzwischen auf die Hälfte dessen geschrumpft. Durchschnittlich werden pro Jahr weitere zwölf Millionen Hektar abgeholzt. Die Vernichtung der tropischen Regenwälder ist eine der Hauptursachen für das katastrophale Ausmaß des Artensterbens auf unserem Planeten. Denn durch die Vernichtung der Wälder haben wir gleichzeitig auch den dramatischen Rückgang an Arten zu verzeichnen. Durch menschlichen Einfluss werden derzeit jährlich ungefähr 30.000 Pflanzen- und Tierarten ausgelöscht.Die Unterrichtseinheit Tatort Tropenwald führt die Schülerinnen und Schüler in der Rolle als Ermittler in einem Krimi spielend-entdeckend an die Themen Tropenwaldschutz und Erhaltung der Biodiversität heran. In Kleingruppen untersuchen sie Schritt für Schritt die komplizierte Vernetzung zwischen menschlichem Leben und der Existenz der Tropenwälder als Lebensraum für Millionen von Pflanzen- und Tierarten. Ebenso setzen sie sich mit sozialpolitisch und gesellschaftlich relevanten Bereichen auseinander. Im Fokus der Recherche stehen auch die unterschiedlich motivierten Interessensgruppen am Regenwald vor Ort - etwa Grundbesitzer, einheimische Volksstämme, Kleinbauern und die globale Großindustrie. Sie hinterfragen Produktion und Konsum in den Industrienationen und deren Auswirklungen auf den Bestand des tropischen Regenwalds. Interessant ist dabei auch, welche Rolle Journalisten in diesem "Mordfall" spielen. Hintergrundinformationen und Vorbemerkungen Hintergrundinformationen zum Themenkomplex Regenwald sowie Bemerkungen zu zentralen Ansätzen der Unterrichtseinheit sind hier kurz zusammengefasst. Inhalt und Ablauf des Krimispiels Der Mitmach-Krimi verfolgt einen handlungs- und erfahrungsorientierten Ansatz. Detailliertere Informationen zur Umsetzung im Unterricht finden Sie hier. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler erwerben Wissen über das Ökosystem Regenwald, seine Bedrohung und über den Schutz des Regenwaldes und können dieses Wissen anwenden. stellen eine Verbindung zwischen dem Regenwald und unserem Alltag in Deutschland her und hinterfragen diese kritisch. sind in der Lage, Verständnis für globale Vernetzungen und Abhängigkeiten zu entwickeln. erlangen Entscheidungs- und Bewertungsfähigkeit und entwickeln selbst Maßnahmen, die zum Schutz des Regenwaldes beitragen. Gestaltungskompetenz Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage, individuelle und kulturelle Leitbilder zu reflektieren. können das eigene Handeln als kulturell bedingt und veränderbar wahrnehmen. entwickeln eigenständige Handlungsalternativen. können die eigene Meinung äußern, akzeptieren andere Standpunkte und arbeiten kooperativ im Team. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler können verschiedenartige Medien wie Texte, Tabellen und Grafiken hinsichtlich relevanter Informationen auswerten. setzen Informationen aus verschiedenen Medien miteinander in Verbindung. lernen, diese Informationen in anderen medialen Darstellungsformen wiederzugeben und zusammenzufassen. Materialien von OroVerde Der Mitmachkrimi "Tatort Regenwald" für den Unterricht ist Lehrmaterial, das die Tropenwaldstiftung OroVerde konzipiert und herausgegeben hat. Neben dem Krimispiel gibt es außerdem Materialien für die Grundschule (3./4. Klasse, "Schokolade wächst auf Bäumen?!"), für die 5. und 6. Klasse ("Warum regnet es im Regenwald?") und für Schülerinnen und Schüler ab der 8. Klasse ("Geist ist geil!" - Werbung und Natur). Projektträger ist OroVerde, die Stiftung zur Rettung der Tropenwälder. In Addition zum Pilotprojekt "Weil wir es wert sind" entstanden die Materialien für den Unterricht. Jugendliche für Natur, Umwelt und BNE begeistern Das OroVerde-Projekt "Weil wir es wert sind" startete im Jahr 2009 und setzte sich zum Ziel, junge Menschen - vor allem Schülerinnen und Schüler an Hauptschulen - für die Themen Natur, Umwelt und nachhaltige Entwicklung zu begeistern. Kern des Pilotprojekts sind eigenständige Kampagnen und Schülerfirmen von Jugendlichen, die aus den schulischen Aktivitäten rund um das Thema Schutz des Tropenwalds hervorgehen. Der Titel "Weil wir es wert sind" soll dabei bewusst zur Stärkung des Selbstwertgefühls der Jugendlichen beitragen. Auch der Austausch von Meinungen untereinander wird gefördert. Eigene Kampagnen zum Thema Regenwald Mit Unterstützung von Expertinnen und Experten aus der Praxis entwickeln die Schülerinnen und Schüler eigene Kampagnen zum Thema Regenwald. Die Umsetzung und Gestaltung wurde zudem filmisch festgehalten und zu einem Motivationsfilm zusammengestellt. Gemeinsam mit den Materialien kann dieser Film sowie der OroVerde-KlimaClip (für jüngere Jahrgänge, siehe Internet-Links) im Unterricht eingesetzt werden. Aus dem Gleichgewicht geraten Das komplexe biologische System des tropischen Regenwalds hält sich selbst im Gleichgewicht. Durch die Vielfalt und Anpassungsfähigkeit seiner Flora und Fauna können äußere Eingriffe und Störungen natürlicher Art ausgeglichen werden. Dieses Stabilisierungsvermögen ist allerdings begrenzt. Zu starke Eingriffe in den Regenwald und seine Artenvielfalt führen zu einem Kollaps des "Systems Regenwald" und wegen dessen immenser ökologischer Bedeutung letztendlich zur Vernichtung unserer Lebensgrundlagen. Lösungsansatz: Umdenken und Armut in der Dritten Welt bekämpfen Ein bedeutender Lösungsansatz liegt darin, dass Menschen ihre Kultur, Lebensstil und die alltäglichen Gewohnheiten hinterfragen und umweltschädigende Muster erkennen, um ihr Verhalten nachhaltig zu ändern. Dies gilt für Industrie- wie Entwicklungsländer gleichermaßen. Als eine weitere Ursache sehen Experten die Massenarmut in den Entwicklungsländern an. Etwa zwei Milliarden Menschen in den Ländern der Dritten Welt sind auf Holz als Hauptenergieträger angewiesen. Tropenwaldschutz bedeutet darüber hinaus auch Klimaschutz, denn 17 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen resultieren aus der Vernichtung der Tropenwälder. Genau hier setzt die Bildung für nachhaltige Entwicklung an. Mehr Hintergrundinfos zum Thema gibt es unter dem Punkt "Internetadressen". Schon für Erwachsene ist es eine Herausforderung, die Bedeutung des tropischen Regenwaldes für das Leben und unseren Alltag in den Industrieländern nachzuzeichnen. Für Kinder und Jugendliche stellt diese Thematik ein inhaltlich derart komplexes Verbindungsgeflecht dar, dass sie im konventionellen, fragend-entwickelnden Unterricht von der Fülle der Inhalte schnell überfordert sind. Deshalb bedient sich "Tatort Tropenwald" einer Methode, die die Neugier der Jugendlichen weckt und das selbstständige Entdecken und Erforschen fördert. Somit kann eine individuelle Meinungsbildung aller Schülerinnen und Schüler herausgefordert und gefördert werden. Im Sinne der durch BNE proklamierten Förderung von Gestaltungskompetenz können nur diejenigen handeln und gestalten, die zuvor eigene Standpunkte und Lösungsansätze entwickelt haben. Krimispiel Das Krimispiel als erste Hauptphase der Einheit ist so konzipiert, dass sich die Schülerinnen und Schüler in Kleingruppen selbstständig Lösungswege erarbeiten. Sie recherchieren aus unterschiedlichen Blickwinkeln, bis sie den oder die Akteure, die schwere Verbrechen an der Umwelt begehen, dingfest machen. Sie entscheiden dabei selbst, welchen Weg sie verfolgen. Reflektion In der zweiten großen Phase (Vertiefung und Auswertung) geht es darum, die erfahrenen Beziehungen und Wechselwirkungen rund um den tropischen Regenwald gemeinsam im Plenum zu reflektieren. So kristalisiert sich für alle ein Gesamtbild des "Falls" heraus. Das Opfer: ein deutscher Journalist Bei dem Opfer im Krimi handelt es sich um einen deutschen Journalisten namens Peter Zimmermann. Er war für eine Reportage zum Thema "Die Bedrohung der Regenwälder" in Brasilien unterwegs. Sein Leichnam wurde am Rande einer Lichtung entdeckt. Zentrale Fragestellungen Die Fragen, die sich den Schülerinnen und Schülern in der Rolle der Ermittelnden nun stellen, sind unter anderem: Welche Missstände wollte Peter Zimmermann in seiner Reportage aufdecken? Welche heiße Spur hat er verfolgt? Gibt es Netzwerke und Zusammenhänge, deren Aufdecken verhindert werden sollte? Sind allein seine Arbeit oder seine Recherchen die Ursache für seinen Tod? Schülerinnen und Schüler folgen Spuren In Kleingruppen folgen die Ermittlerteams verschiedenen Spuren und werden so Schritt für Schritt an eine Lösung des Falls herangeführt. Jede Spur fußt auf Aussagen von Beteiligten. Die Lernenden folgen den Spuren, indem sie die jeweiligen Aussagen aufmerksam lesen und eigenständig entscheiden, wen es für die Lösung des Falls als nächstes zu befragen gilt. Alle Kleingruppen erhalten detaillierte Informationen zur Ausgangslage und zudem einzelne "Fundstücke", die als Hinweise dienen und die Ermittlungen vorantreiben. Der Übersichtlichkeit und der Veranschaulichung des Ermittlungsfortschritts halber halten die Schülerinnen und Schüler aufgedeckte Verbindungen in einem Netzdiagramm fest. Die Vernetzungen und Abhängigkeiten, die die Jugendlichen auf diese forschend-entdeckende Art aufspüren, entsprechen den tatsächlichen Vernetzungen unserer Alltagswelt. Dieser Aspekt tritt in der Nachbereitung des Krimispiels in den Vordergrund. Vorbereitung Zunächst sollten eine Weltkarte an der Wand angebracht und Klebepunkte bereit gestellt werden. Die Aussagen der Beteiligten und der Zeugen sowie die Handouts "Ausgangslage" und "Fundstücke" werden gemäß der Kleingruppeneinteilung vervielfältigt. Die Lösung sollte groß kopiert oder vergrößert über Beamer oder Projektor präsentiert werden. Nun können Aufsteller oder Schilder für die Ermittlungsgruppen (A, B, C, D oder 1, 2, 3, 4) bereit gestellt werden. Jedes Ermittlungsteam benötigt Karteikarten, am besten in drei verschiedenen Farben. Um die Situation etwas realitätsnaher zu gestalten können auch Detektivutensilien zum Einsatz kommen, auch das Anspielen der "Tatort"-Titelmusik als musikalische Krimi-Untermalung bietet sich an. Die Quizfragen Diese Fragen sollen an der Tafel stehen. Achtung: die Tafel zunächst zugeklappt lassen! Wer war der Täter? Wie kam es zum Tod von Peter Zimmermann? Wieso war Peter Zimmermann in Brasilien? Was hat die Ölgesellschaft mit den Indianern von Nova Verde zu tun? Warum roden die Bauern der Agrargesellschaft den Regenwaldb nicht mehr illegal? Was hat Indonesien mit dem Fall zu tun? Wieso gehört der Großgrundbesitzer Rutloff zum Kreis der Verdächtigen? Jedes Ermittlerteam arbeitet eigenständig an dem Fall. Jeder Hinweis verbirgt weitere Hinweise. Dazu nennen die Ermittler der Lehrkraft Name und Adresse desjenigen Zeugen, den sie befragen möchten. So erhalten Sie weitere Informationen, mit denen sie eigenständig weiter ermitteln können. Hinweise und Zeugenaussagen können nur nacheinander eingeholt werden, gleichzeitig zu zwei Personen zu gehen ist nicht erlaubt. Zu jeder Person ist nur eine Aussage vorhanden. Das heißt, die Personen können nicht mehrmals befragt werden. Jedes Team benennt einen Protokollanten. Er oder sie notiert, was der Gruppe bei Spuren und Aussagen wichtig erscheint oder auch Spuren, die das Team erst einmal nicht verfolgt. Diese Kategorisierung kann anhand der verschiedenfarbigen Karteikarten erfolgen. Der Fall gilt als gelöst, wenn das Ermittlerteam am Ende den Täter und seinen Aufenthaltsort nennen kann und zudem vier der sieben Quizfragen richtig beantwortet hat. Um zur Lösung zu gelangen, müssen die Ermittlerteams auf jeden Fall über das Nachrichtenmagazin "Ficus" sowie über "Karla Mertens" und die "Forschungsstation" gehen. Das Lösungsschaubild befindet sich in der Materialmappe. Bei jeder Zeugenaussage sind mögliche verfolgbare Spuren mit Name und Adresse angegeben. Bei älteren Schülerinnen und Schülern oder starken Lerngruppen sollte auf diese Hilfe im Sinne der Differenzierung in Sachen Anspruch verzichtet werden. Um als Lehrkraft ein besseres Gefühl für die Spielsituation und für mögliche Fragen der Schülerinnen und Schüler zu bekommen, ist es ratsam, das Krimispiel vorher selbst einmal zu testen. Da jedes Schüler-Ermittlerteam unterschiedliche Wege zur Lösung des Falls einschlagen kann und dadurch am Ende möglicherweise nicht alle Gruppen sämtliche Ermittlungsfelder durchwandert haben, ist es bei der Auswertung wichtig, den Fall in seiner ganzen Komplexität zu präsentieren - für alle Teilnehmerinnen und Teilnehmer. Es empfiehlt sich, das Lösungsschaubild zu vergößern und die Lösung über Beamer oder Projektor zu zeigen. Anhand dieser Übersicht kann jedes Ermittlerteam nun präsentieren, wie es zur Lösung des Falls kam oder erklären, wo es Schwierigkeiten gab. Gibt es vielleicht auch einen Ermittlungsstrang, den keines der Teams ausgewählt hat? Nun werden die Quizfragen gemeinsam besprochen. Die Übersicht und die Quizfragen verdeutlichen, dass der Krimi verschiedene Themenfelder rund um den Tropenwald aufgreift: Holz, Bodenschätze, Landwirtschaft und Besonderheiten des Regenwalds. Durch die Aussage von Dr. Ortega lässt sich auch das Themenfeld Klima festhalten. Als erste Aufgabe sammeln die Schülerinnen und Schüler nun gemeinsam mit dem Partner oder der Partnerin (oder auch im Plenum, an der Tafel), welche Informationen im Krimi zu den einzelnen Themenfeldern geliefert wurden. Abschließend und im Hinblick auf eine Vertiefung der Themen des Krimispiels in den folgenden Stunden überlegen die Schülerinnen und Schüler, was der Regenwald und die Themen des Krimis mit unserem Alltag in Deutschland zu tun haben könnten. Die Themen Holz, Bodenschätze, Landwirtschaft und Besonderheiten des Regenwalds können nach der Durchführung des Krimispiels in den Folgestunden vertiefend behandelt werden. Zu jedem Thema findet sich in der Materialmappe ein Arbeitsblatt. Alle Arbeitsblätter können mit einer oder mehreren Karteikarten kombiniert werden. So entstehen für die Vertiefungsphase dieser Einheit Arbeitspakete für alle vier inhaltlichen Schwerpunkte, anhand derer die Schülerinnen und Schüler einen Zusammenhang zwischen unserer Konsum- und Lebensweise und der Bedrohung des Regenwalds herstellen können. Material 1: Rinderwahn am Amazonas Themen sind die Problematik der Viehzucht am Amazonas und Besonderheiten des tropischen Nährstoffkreislaufs. Kombinationsmöglichkeit: Karteikarte 1 "Vom Regen in die Traufe" Material 2: Wieviel wiegt eine Cola-Dose? Hier wird der ökologische Rucksack einer Cola-Dose thematisiert. Welchen Rohstoff- und Ressourcenverbrauch beinhaltet diese Form der Getränkeverpackung? Kombinationsmöglichkeit: Karteikarten 2 "David gegen Goliath" und 3 "Die Dose aus dem Regenwald" Material 3: Der Tropenholz-Test Wie erkenne ich Tropenholz und wie unterscheidet es sich von einheimischem Holz? Kombiniert mit der Karteikarte 4 "Heiße Ware Tropenholz" und dem Flyer "Runter vom Holzweg" kann der reale Hintergrund des Krimis - eine Recherche des Fernsehmagazins "Monitor" zu Regenwaldholz in Bundesgebäuden - erforscht werden. Material 4: Stockwerkaufbau im Regenwald Themen sind der Stockwerkbau und der kleine Wasserkreislauf im Regenwald. Gemeinsam mit den Karteikarten 5 ("Warum regnet es im Regenwald?"), 6 ("Sie können nicht ohne einander.") und 7 ("Regenwald in Gefahr!") kümmern sich die Jugendlichen mit dem Materialpaket 4 um die Besonderheiten des Regenwalds. Die Jugendlichen bearbeiten in Gruppen jeweils eines der vier Arbeitspakete. Anschließend stellen sie ihre Ergebnisse eigenständig zusammen und den Mitschülerinnen und Mitschülern vor. Besonders nachhaltig ist auch eine Aufbereitung in Form von Plakaten und Wandzeitungen, die innerhalb einer Projektwoche ausgestellt oder öffentlich präsentiert werden können.

Mithilfe der Online-Angebote des Bundestags zum Thema "Bundestagswahlen" bauen die Schülerinnen und Schüler Grundlagenwissen zum Ablauf von Bundestagswahlen und Wahlrecht auf und erweitern vorhandene Kenntnisse.Neben dem Portal www.bundestag.de hält der Bundestag mit www.mitmischen.de und www.kuppelkucker.de auch zwei Angebote speziell für Kinder und Jugendliche bereit. Diese Seiten kommen in dieser Unterrichtseinheit zum Einsatz: Schülerinnen und Schüler werden zur aktiven Recherche auf den Jugendseiten des Bundestages angeleitet, um ihr Wissen zum Themenfeld Bundestagswahl zu erweitern. Die Sequenz ist flexibel einsetzbar und vermittelt grundlegende Kenntnisse zur Bundestagswahl. Grundlagenwissen aufbauen, Handlungsfähigkeit vermitteln Die Aufgaben und Ziele der politischen Bildung zielen auf das Bild der "mündigen Bürgerinnen und Bürger" ab: Die Schülerinnen und Schüler sollen gemäß der Vorgaben für den Politikunterricht über ihr Grundlagenwissen hinaus eine selbstständige politische Urteils- und Handlungsfähigkeit entwickeln, um hieraus zu einer aktiven Mitwirkung in gesellschaftspolitischen Entscheidungsprozessen zu gelangen. Wahlen sind in einem demokratischen Staatswesen eine der grundlegenden Aufgaben der Staatsbürgerinnen und -bürger und somit ist das Wissen darum die Basis für die Demokratiekompetenz der Lernenden – und zukünftigen Wählerinnen und Wähler. Modularer Aufbau – flexibel einsetzbar Die Unterrichtseinheit ist so gestaltet, dass Lehrkräfte auch in einer einzelnen (Vertretungs-)Stunde mit ihren Schülerinnen und Schülern Inhalte zur Bundestagswahl erarbeiten können. Die einzelnen Kapitel sind modular aufgebaut und können auch einzeln oder in einer anderen Reihenfolge aufgegriffen werden. Module der Unterrichtseinheit "Bundestagswahlen" 1 – Die Bedeutung von Wahlen in einer Demokratie Die Lernenden erarbeiten die Grundlagen des Wahlsystems für eine parlamentarische Demokratie und begründen in Form eines Werbespots, warum man wählen gehen sollte. 2 – Die Wahlgrundsätze Die Schülerinnen und Schüler recherchieren die Bedeutung demokratischer Wahlprinzipien. Sie grenzen hiervon nichtdemokratische Wahlsysteme ab. 3 – Das Wahlrecht Mithilfe einer Internetrecherche erarbeiten die Schülerinnen und Schüler die gesetzlichen Grundlagen des deutschen Wahlsystems und das festgelegte Verfahren für eine Bundestagswahl. 4 – Die Fraktionen im Bundestag In einer Bundestagswahl stehen die politischen Parteien in einem Ideenwettbewerb um die Gunst der Wählerstimmen. Die Lernenden analysieren ihre Grundsatzprogramme. 5 – Der Ablauf der Wahlen Die Lernenden entwerfen einen Video-Spot, der Neuwählerinnen und Neuwähler über den Ablauf einer Bundestagswahl informiert. Die Umsetzung des Spots zu einem Videoclip kann in einer Vertretungsstunde erfolgen. Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen die Bedeutung von Wahlen in einem demokratischen System. erarbeiten sich zentrale Informationen zum Wahlablauf und zur Stimmenauszählung. erklären das in der Bundesrepublik geltende Wahlrecht in seinen Grundzügen. verstehen die Bedeutung des Ideenwettkampfs der Parteien im Wahlkampf und kennen die Grundsätze der im Bundestag vertretenen Parteien. werden für das Phänomen der Wahlmüdigkeit oder Politikverdrossenheit sensibilisiert. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler sammeln durch Internetrecherchen auf den Jugendseiten des Bundestages (wie www.mitmischen.de ) gezielt Informationen. nutzen Internetquellen, um Informationen zu recherchieren. präsentieren erarbeitete Inhalte. nutzen interaktive Online-Angebote. verwenden Web-2.0-Tools wie Wikis oder Blogs zur Ergebnissicherung. erstellen Videos als Präsentationsform und laden sie auf einem Videoportal hoch. stellen mithilfe von Quizsoftware, Homepagegenerator oder Präsentationssoftware Arbeitsergebnisse als Frage-Antwort-Quiz vor. Hintergrund Als eines der wichtigsten Verfahren, bei denen die Souveränität der Staatsbürgerinnen und -bürger und die demokratische Mitbestimmung zum Tragen kommen, haben Wahlen einige zentrale Aufgaben: Legitimierung des politischen Systems, der Zusammensetzung des Bundestages als gesetzgebende Gewalt in Deutschland und der Regierung als Exekutivorgan. Entscheidung darüber, welche politischen Ziele und Themen sich im Ideenwettbewerb der Parteien durchsetzen und somit indirekt die Mitbestimmung über die Staatsausgaben. Repräsentation einer pluralistischen Gesellschaft und der unterschiedlichen Interessenslagen mit dem Ziel, einen Interessensausgleich herbeizuführen. Einbindung der Bevölkerung in politische Entscheidungsprozesse und Stärkung der Identifizierung mit dem parlamentarisch-demokratischen System. Überprüfung des eigenen Standpunktes und kritische Urteilsbildung bei der wahlberechtigten Bevölkerung. Einstieg im Plenum Den Schülerinnen und Schülern wird ein Spruch gezeigt, der zur aktiven Teilnahme an Wahlen motivieren soll: "Wenn du dich nicht entscheidest, dann verlasse ich dich. Deine Demokratie " (als Grafik oder Tafelanschrieb). Die Lernenden werden aufgerufen herauszufinden, warum es das Ende der Demokratie bedeutet, wenn Staatsbürgerinnen und -bürger von ihrem Wahlrecht keinen Gebrauch machen. Sie benennen Gründe hierfür und schildern, welche Folgen dies für jede und jeden einzelnen haben könnte. Die erwarteten Antworten können eine Übernahme der Macht durch Extremisten oder Vertretungen finanzstarker Institutionen erwähnen, ebenso einen allmählichen Umbau der demokratischen Ordnung in ein autoritäres System oder sogar einen Zusammenbruch der Ordnung. Dass Wahlen und Demokratie zusammengehören, wird den meisten intuitiv verständlich sein, die Begründungen über die Bedeutung der Wahlen in einer Demokratie sind voraussichtlich aber noch wenig konkret. Die Antworten werden gesammelt und sichtbar notiert, wobei die Lehrkraft bereits eine Gliederung nach den Einzelkapiteln der Unterrichtseinheit vornehmen kann. Die Lernenden werden in Zweiergruppen aufgeteilt und recherchieren online die Bedeutung von Wahlen und machen sich mit Argumenten vertraut, die zu einer aktiven Teilnahme an den Wahlen aufrufen. Die einzelnen Spots können in Gruppen- oder Partnerarbeit mithilfe einer Schnittsoftware zu einem Spot zusammengefügt und auf ein Videoportal geladen werden. Klassenintern oder über die Klasse hinaus kann für die eigenen Spots geworben um um Feedback gebeten werden. Die Schülerinnen und Schüler können anschließend die Reaktion der Zuschauerinnen und Zuschauer anhand der Kommentare zu ihrem Spot auswerten. Ergebnissicherung Die Schülerinnen und Schüler greifen die zum Einstieg gesammelten Gedanken auf und reflektieren diese mithilfe ihres neu erworbenen Wissens. Sie konzipieren anschließend gemeinsam und mit Unterstützung durch die Lehrkraft einen kurzen Fernsehspot, in dem jede und jeder mit einer Kurzaussage begründet, warum sie oder er wählen gehen wird. Hierin verarbeiten die Lernenden die recherchierten Argumente und Fakten und verbinden diese mit einem persönlichen Apell. Jede der zuvor gebildeten Gruppen formuliert hierfür einen eigenen Text/Kurzaussage. Nach einem bis zwei Probedurchläufen werden die Aussagen gefilmt. Hintergrund Auch Diktaturen lassen Wahlen abhalten – doch selten genügen diese den Grundsätzen einer demokratisch abgehaltenen Wahl, die den Willen der Wahlbevölkerung repräsentiert. In Deutschland wird das verfassungsmäßige Fundament demokratischer Wahlen im Artikel 38 des Grundgesetzes festgelegt: "Die Abgeordneten des Deutschen Bundestages werden in allgemeiner, unmittelbarer, freier, gleicher und geheimer Wahl gewählt." Die Einhaltung der Wahlgrundsätze überprüft der Wahlprüfungsausschuss des Bundestages, an den sich jede Bürgerin und jeder Bürger wenden kann. Einstieg im Plenum Zur Einarbeitung der Schülerinnen und Schüler in Funktion und Bedeutung der Wahlgrundsätze werden sie von der Lehrkraft dazu aufgerufen, Beispiele zu finden, die diesen Prinzipien nicht entsprechen oder in einem krassen Gegensatz dazu stehen. Dafür werden die fünf Prinzipen an die Tafel/Flipchart geschrieben, und die Lernenden nennen entsprechende Modelle. Die erwarteten Antworten werden wahrscheinlich historische Beispiele aufgreifen oder an tagespolitische Medieninformationen über autoritäre Regime anknüpfen. Die Lehrkräfte sind dabei aufgerufen, Beispiele, die nicht das Wahlrecht direkt betreffen (grundsätzliche Verstöße gegen demokratische Prinzipien oder Menschenrechtsverletzungen) herauszufiltern. Mögliche Nennungen, die notiert werden können, wären beispielweise: Zensuswahlrecht, keine Wahlberechtigung für bestimmte Bevölkerungsgruppen, Zwang und Druck bei der Stimmabgabe, Einparteien- oder Einkandidatenlisten, Privilegierung bestimmter Personengruppen. Denkbar ist ebenfalls die Erwähnung von Wahlmanipulationen bei der Stimmenauswahl, die von den klassischen Wahlgrundsätzen abzugrenzen sind. Anschließend sollen die Lernenden grundlegende Fakten zu den Wahlgrundsätzen recherchieren. Es bietet sich an, für jeden der Wahlgrundsätze ein oder mehrere Expertenteams zu ernennen und zusätzlich eine Gruppe aufzustellen, die sich über die Einhaltung der Wahlgrundsätze informiert. Ergebnissicherung Die Lernenden halten zunächst ihre Arbeitsergebnisse in einem Glossar fest, auf das alle zugreifen können. Dies kann in Form eines Wikis oder eines Blogs geschehen. Arbeitsgruppen, die das gleiche Recherchethema erarbeitet haben, erstellen gemeinsam den entsprechenden Lexikoneintrag. Dieses Glossar wird für alle weiteren Kernbegriffe weitergeführt, die im Verlauf der Unterrichtseinheit bearbeitet werden. Anschließend werden Quizkarten zum Thema im Frage-Antwort-Stil erstellt, die sich an Formate wie "Wer wird Millionär?" beziehungsweise "Trivial Pursuit" anlehnen können. Beim Verfassen der richtigen Antwort sollen die Lernenden eine Kurzerklärung verfassen. Solche Lernkarten können in einem Textverarbeitungsprogramm erstellt werden, wobei Vorder- und Rückseiten anschließend ausgedruckt und aneinandergeklebt werden. Alternativ kann man die Fragen und Antworten mithilfe von PowerPoint-Folien gestalten oder mit einer Quizsoftware arbeiten. Wichtig ist, dass alle Arbeitsgruppen mit der gleichen Methode oder Formatierung arbeiten, damit sich später ein kompletter Spielsatz ergibt, in dem alle Gruppen ihr Wissen zusammentragen. Die Schülerinnen und Schüler spielen das Quiz durch und erhalten somit das Faktenwissen der Themen aus den jeweils anderen Arbeitsgruppen. Nachhaltige Ergebnisnutzung Das erstellte Glossar, aber auch das Quiz kann auch im Rahmen der Behandlung von anderen politischen Themen genutzt und erweitert werden. Durch die aktive Beschäftigung mit den Inhalten wird sichergestellt, dass sich die Lernenden die Begriffe besser merken können. Die Lernenden greifen je ein Beispiel aus der Einstiegsphase auf, bei dem sie zu Beginn eine Verletzung der Wahlgrundsätze ausmachten. Sie recherchieren frei im Internet oder im Schulbuch nach den historischen oder aktuellen politischen Hintergründen. Denkbare Themen wären Frauenwahlrecht, Dreiklassenwahlrecht, Wahlmänner/-frauen in den USA, Einparteienstaat/DDR. In der Folgestunde werden die neu gewonnen Erkenntnisse ausgetauscht und die Ergebnisse dem allen zugänglichen Glossar zugefügt. Hintergrund Das Wahlrecht gehört zu den politischen Grundrechten, dennoch sind die konkreten Bestimmungen teilweise recht komplex und breit gefächert. Grundsätzlich versteht man unter dem Wahlrecht alle gesetzlichen Bestimmungen, die das Verfahren von Wahlen in Deutschland regeln. Dies betrifft: Die Definition der Staatsbürgerin beziehungsweise des Staatsbürgers und des Personenkreises, der aktiv oder passiv am Wahlgeschehen teilnehmen kann. Das geltende Wahlsystem, das Zusammenspiel von Verhältnis- und Mehrheitswahlrecht und die damit zusammenhängende Bedeutung von Erst- und Zweitstimme bei der Stimmabgabe. Den Ablauf der Wahl. Die Funktion und Befugnisse der Wahlleitung und der Wahlhelferinnen und Wahlhelfer. Den Turnus der Wahlen. Das Verfahren für die Stimmauswertung, die Vergabe der Mandate und somit die Zusammensetzung des neugewählten Bundestages. Einstieg im Plenum Die Schülerinnen und Schüler entwickeln zusammen eine MindMap oder ein Cluster zum Kernbegriff "Bundestagswahl". Dieses Vorwissen wird dabei an Flipchart, Tafel oder Board fixiert und gleichzeitig strukturiert. Die Antworten werden nicht gewertet oder korrigiert, auch falsche Aussagen werden gleichberechtigt aufgenommen. Anhand der Informationen unter mitmischen.de und bundestag.de können die Lernenden zum Thema Bundestagswahl recherchieren und anschließend die im Plenum zusammengetragenen Informationen gemeinsam mit der Lehrkraft verifizieren oder korrigieren. Es bietet sich an, themenspezifische Gruppen zu bilden. Mögliche Inhalte sind: Wahlberechtigte, aktives und passives Wahlrecht, personalisierte Verhältniswahl in Deutschland: Erst- und Zweitstimme, Vergabe der Mandate, (Fünf-Prozent-Hürde, Überhangmandate), Sitzverteilung, Auszählungsverfahren. Die Gruppen, die themenspezifisch hierzu recherchieren, sollten dabei im Vorfeld darüber informiert werden, dass sie die Verfahren zur Berechnung der Sitze im Bundestag (Sainte-Laguë/Schepers und Hare/Niemeyer) nur kurz umreißen sollen. Ergebnissicherung Die Lernenden ergänzen das Glossar um zentrale Begriffe. Um das Wissen der Expertengruppen zusammenzuführen, erstellen die Schülerinnen und Schüler weitere Quiz-Fragen und -Antworten oder Erläuterungen hierzu und spielen das Quiz durch. Die in der Einstiegsphase erstellte MindMap wird bei Bedarf korrigiert und ergänzt und in das Glossar aufgenommen. Gesellschaftspolitische Kontroverse Auch wenn die grundlegenden demokratischen Prinzipien des deutschen Wahlrechts in der öffentlichen Diskussion kaum in Frage gestellt werden, gibt es in Detailfragen durchaus Kontroversen. So wurde im Jahr 2012 durch einen Rechtsspruch des Bundesverfassungsgerichtes eine Neuregelung der Vergabe von Überhangmandaten nötig. Andere Debatten, die immer wieder aufkommen, sind das Wahlrecht für Ausländerinnen und Ausländer oder eine Herabsetzung des Wahlalters auf 16 Jahre. Die Schülerinnen und Schüler informieren sich über eines dieser gesellschaftspolitischen Kontroversen und stellen in einem Mini-Referat die zentralen Pro- und Kontra-Argumente vor. Hintergrund Deutschland ist eine Parteiendemokratie. Die Wahlen zum Bundestag sind daher faktisch eine Abstimmung über die Vertreterinnen und Vertreter der politischen Parteien, die nach Artikel 21 des Grundgesetzes an der Willensbildung des Volkes mitwirken. Um eine Orientierung der im Wahlkampf vorgestellten Programme zu erhalten, ist es wichtig zu wissen, wofür die einzelnen Parteien stehen und sich mit deren Grundsatzprogrammen vertraut zu machen. Erarbeitung Die Schülerinnen und Schüler recherchieren in Partnerarbeit oder in Kleingruppen die Grundsätze der im Bundestag vertreten Parteien und setzen sich mit den jeweiligen Parteiprogrammen beziehungsweise Wahlkampfbroschüren auseinander. Es bietet sich an, eine Gruppe jeweils eine Partei untersuchen zu lassen. mitmischen.de: Wofür stehen die Parteien, die im Bundestag vertreten sind? Auf mitmischen.de finden die Lernenden einen kurzen Steckbrief zu jeder im Bundestag vertretenen Partei sowie die jeweiligen Grundsatzprogramme als PDF-Datei zum Herunterladen. Ergebnissicherung Die Gruppen entwerfen aus ihren Informationen ein Schaubild, das über die jeweilige Partei informiert. Die Gruppen stellen ihr Diagramm anschließend im Plenum vor, wobei die Gruppen, die die gleiche Partei bearbeiteten, hintereinander präsentieren sollten, um einen Vergleich der Arbeitsergebnisse zu ermöglichen. Die Schaubilder werden diskutiert, eventuell überarbeitet und dem Glossar zugefügt. Wortwolke als vorzeigbares Ergebnis Aus der jeweiligen Präambel beziehungsweise dem Vorwort der Grundsatzprogramme erstellen die Lernenden jeweils eine Wortwolke beispielsweise bei www.wortwolken.com . Die so entstandenen Wortwolken der Parteien werden miteinander verglichen und auf die Kernbegriffe hin untersucht. Anschließend vergleichen die Schülerinnen und Schüler die Schlüsselbegriffe, die sie in der Einstiegsphase den Parteien zugeschrieben haben. In der "heißen Phase" des Wahlkampfes stehen weitere Recherchemöglichkeiten zur Verfügung, wie Wahlkampfflyer, Wahlplakate, Kandidaten-Twitter, Wahlspots im Fernsehen oder im Internet, die untersucht werden können. Außerhalb des Bundestagswahlkampfes können sich die Schülerinnen und Schüler mit dem medialen Informationsangebot der einzelnen Parteien beschäftigen und diese analysieren: Wie übersichtlich/informativ sind Parteienwebsite/Faceboo k-Auftritt/Twitter-Angebot? Kann ich mich als wahlberechtige Bürgerin beziehungsweise Bürger gut informieren? Wird auf Neuwählende eingegangen? Die Lernenden informieren in der Folgestunde über ihre Arbeitsergebnisse, indem sie per Beamer die medialen Angebote der Parteien kommentierend vorstellen. Hintergrund Nicht wenige Neuwählerinnen und Neuwähler haben etwas Angst vorm "ersten Mal". Es besteht Unsicherheit darin, was genau zu tun ist, welche Unterlagen man ins Wahllokal mitbringen muss und wie man den Stimmzettel richtig ausfüllt. Um selbst gut vorbereitet zu sein, oder um das erarbeitete Vorwissen prägnant und allgemeinverständlich umzusetzen, beschäftigen sich die Schülerinnen und Schüler mit den einzelnen Schritten der Bundestagswahl. Da diese Thematik eine in sich geschlossene Einheit bildet, eignet sie sich gut für eine Vertretungsstunde und kann auch gut ohne eine vorausgehende Erarbeitung der eher theoretischen Grundlagen zum Wahlrecht in einer Doppelstunde umgesetzt werden. Einstieg im Plenum Den Lernenden werden Stimmzettel aus der zurückliegenden Bundestagswahl von 2017 gezeigt. Diese können unter www.wahlumfrage.de heruntergeladen und ausgedruckt oder auf dem Beamer, am Board präsentiert werden. Die Schülerinnen und Schüler tragen ihr Vorwissen zusammen und erklären, wie die Stimmzettel auszufüllen sind und wie der Ablauf der Wahl vonstatten geht. Anschließend informieren sich die Schülerinnen und Schüler auf den Seiten www.mitmischen.de und www.bundestag.de über den Ablauf einer Bundestagswahl. Ergebnissicherung Die Schülerinnen und Schüler sollen in Kleingruppen eine Anleitung zum Wählen für Neuwählerinnen und Neuwähler im Video-Erklärformat ähnlich wie "explainity" oder "simpleshow" produzieren. Der Clip sollte höchstens drei Minuten dauern. Hierfür erstellen sie Skizzen und Symbole auf Papier und erklären den Ablauf in leicht verständlicher Form Schritt für Schritt. Die Präsentation kann zunächst offline auf einem Tisch erfolgen. Explainity: Bundestagswahlen einfach erklärt Komplexe Zusammenhänge einfach erklärt: mit simplen Szenen, einer Tischplatte und einigen Worten … simpleshow: Die simpleshow erklärt die Bundestagswahl Ein Animation, die die Wahlen zum Bundestag auf den Punkt bringt. Festigung des erworbenen Wissens Zur Ergebnissicherung der gesamten Unterrichtseinheit wird das Glossar/Wiki sowie das Quiz abschließend überarbeitet und ergänzt. Das Quiz kann zur Evaluation des Wissens oder zur Vorbereitung auf Klausuren später nochmals gespielt werden. Videos erstellen Die Präsentation der "Anleitung zum Wählen" soll als Video aufgezeichnet werden. Dies kann mit einem Smartphone erfolgen. Die Filme können anschließend auf einer Videoplattform hochgeladen und in der Folgestunde von den Schülerinnen und Schülern kommentiert werden.