BP:Snne-Erde-Mond-Modell

Das physikalische Ziel des Experiments ist es, die Bewegung von Sonne, Erde und Mond sowie deren Wechselwirkungen zu veranschaulichen. Das Modell zeigt unter anderem die Mondphasen, die Entfernung zwischen Erde und Mond (Apogäum und Perigäum) und die Neigung der Mondbahn (Lunarknoten). Die Mechanik wird durch eine Kurbel angetrieben.

Theoretische Zusammenfassung

Das Modell basiert auf dem Ferguson-Orrey und stellt die Himmelsmechanik der Sonne, Erde und des Mondes dar. Es zeigt, wie sich die Planeten relativ zueinander bewegen und welche Auswirkungen dies auf die Mondphasen und die Position der Erde hat.

Didaktischer Rahmen

Fachdidaktische Zielsetzung

Das Ziel ist es, den Schülern die prozessbezogene Kompetenz der Modellbildung und des Verständnisses komplexer Systeme näherzubringen. Sie sollen lernen, wie die Bewegung von Himmelskörpern modelliert und welche physikalischen Gesetze dabei angewendet werden.

Nötige Vorkenntnisse

Schüler benötigen Kenntnisse in der Astronomie, insbesondere über die Umlaufbahnen von Himmelskörpern, sowie grundlegende Mechanikkenntnisse. Mathematikkenntnisse, insbesondere Geometrie und Trigonometrie, sind ebenfalls hilfreich.

Mögliche Schülerschwierigkeiten

Schüler könnten Schwierigkeiten haben, die dreidimensionale Bewegung der Himmelskörper zu verstehen und die Beziehung zwischen den verschiedenen Komponenten des Modells zu erkennen. Es ist hilfreich, das Modell schrittweise zu erklären und die einzelnen Teile separat vorzustellen.

Schülervorstellungen, die hier relevant werden

Es gibt häufig Missverständnisse über die Gründe für die Mondphasen und die Bahnen der Himmelskörper. Diese können durch das praktische Arbeiten mit dem Modell geklärt werden. Studien wie die von Schecker et al. (2018) zeigen, dass solche Modelle hilfreich sind, um falsche Vorstellungen zu korrigieren.

Das Modell der Sonne, Erde und Mond

Allgemein

Klassenstufe	Sekundarstufe I und II
Kategorie	Astronomie, Mechanik
Einordnung in den Bildungsplan von BW	Kapitel: Astronomie, Mechanik

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

• 3D-Drucker (Prusa MK3/S/S+)
• PLA-Filament
• Werkzeuge zum Zusammenbau (z.B. Klebstoff, Zange)

Versuchsaufbau

Schritt 1

Klebe die 3 Stifte auf die Stütze und dann die Beine.

Schritt 2

Nimm die 7 Zahnräder für den Mechanismus (Räder 20, 37, 39, 39L, 44, 50-19, 50-25). Staple die 4 konzentrischen Räder (20, 37, 39, 44).

Schritt 3

Setze die 3 Räder auf die Drehscheibe (achte auf oben und unten) und dann den Stapel der 4 Zahnräder einfügen.

Schritt 4

Nimm die Stütze und nutze die zentrale Säule, um die Drehscheibe zu fixieren.

Schritt 5

Klicke den Erdring in seine Halterung.

Schritt 6

Befestige die Sonne, den Mond, den Apogäumsring, den Neigungsring und die Erdhaterung. Achte darauf, dass zwischen jeder Plattform Platz bleibt.

Schritt 7

Ziehe leicht an der Säule, um das erste Rad des Jahreszählers einzusetzen. Dann das kleine Rad und das zweite Zählerrad. Vorsichtig die Kappe hinzufügen, um die Räder zu sichern.

Schritt 8

Klicke den Kurbelgriff in die Kurbel. Dann das Kurbelrad einsetzen und die Kurbel einführen.

Schritt 9

Klicke die beiden Teile der Erde (mit dem „Erdclip“) zusammen. Zum Schluss die Erde einsetzen. Beginne mit der oberen Achse.

Versuchsdurchführung

1. Gehe zu einem beliebigen Datum und halte die Kurbel, während du den Erdring mit der Sonne ausrichtest (nördliche Hemisphäre zeigt zur Sonne beim Sommeranfang).
2. Gehe zum Vollmond (hinter der Erde) und justiere die Mondposition entsprechend.
3. Richte den höchsten Punkt des Neigungsrings mit dem Mond aus (höchster Mondwinkel).
4. Justiere den Apogäumsring mit dem Mond (größte Entfernung Mond).

Fehlerabschätzung

Überprüfe regelmäßig die Justierung des Modells, um sicherzustellen, dass die Zahnräder richtig ineinander greifen und die Anzeigen korrekt sind.

Mögliche Probleme und ihre Lösungen

• Fehler bei der Kalibrierung können auftreten. Es ist wichtig, die Schritte genau zu befolgen und gegebenenfalls nachzujustieren.
• Einige Teile könnten brechen, wenn sie nicht richtig ausgerichtet oder zu fest angezogen sind.

Sicherheitshinweise

Da das Modell mechanische Teile enthält, sollten Schüler vorsichtig sein und keine losen Kleidungsstücke oder Haare in die Nähe der Zahnräder bringen.

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0