Naturwissenschaften integriert: Der menschliche Körper

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Inhaltsverzeichnis

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1. Vorwort

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2. Fächerübergreifendes, aktives Lernen im naturwissenschaftlichen Unterricht – ein Plädoyer

6 Warum Naturwissenschaften fächerübergreifend unterrichten?

6 Welche Vorteile bietet die Selbsttätigkeit der Schüler?

8

3. Allgemeine Hinweise zur Benutzung dieser Materialsammlung

8 Zum Aufbau des Buches 8 Methodenkarten

9 Wie gelingt eine Binnendifferenzierung?

9 Freiarbeit

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4. Methodenkarten

11 1 Was gehört in eine Prinzipskizze?

11 2 Diagramme zeichnen 12 3 Diagramme lesen

13 4 Wie lege ich eine Tabelle an?

13 5 Was ist ein Versuchsprotokoll?

14 6 Säulendiagramme zeichnen 14 7 Mittelwerte berechnen

15 8 Wie bereite ich einen Vortrag vor?

16 9 Was bedeutet die Angabe Prozent?

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5.1 Ernährung und Verdauung

17 Didaktische Hinweise zu den Materialien 17

Vorschlag zur Einbettung der Materialien in eine Unterrichts- sequenz

19 Fächerübergreifende Lernlandkarte

20 A Wie kann ich Fett in Nahrungsmitteln nachweisen?

21 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung 22 B Wir weisen Stärke nach

23 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

24 C Die Verdauung im Modellversuch 25 Materialien

27

5.2 Bewegungssystem

30 A Warum sind Knochen hohl?

31 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung 32 B Warum Gelenke nicht quietschen 33 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

34

5.3 Atmung und Blutkreislauf

36 Fächerübergreifende Lernlandkarte 37 A Wie funktioniert die Lunge?

38 Bauanleitung für das Lungenmodell

39 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung 40 B Wir messen unser Lungenvolumen 41 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

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CD-Zusatz

42 C Wir bestimmen unsere Atemfrequenz 43 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

44 D Die Luft, die wir atmen Vorlage Kreisdiagramm der Luft 45 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

46 E Pulsmessung – aber richtig!

48 F Das Herz-Kreislauf-Spiel Vorlagen für das Herz-Kreislauf-Spiel 49 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

50 G Der Lego-Molekül-Baukasten 51 Materialien

53

5.4 Sinnesorgane

53 Didaktische Hinweise zu den Materialien

53 Vorschlag zur Einbettung der Materialien in eine Unterrichts- sequenz

55 Sehen

56 A Wir suchen unseren blinden Fleck Vorlage für Karten 57 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

58 B Das Loch in der Hand

59 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung 60 C Wo liegt das Spiegelbild?

62 D Wie groß ist mein Spiegelbild?

64 E Der sparsame Schotte Vorlage Gradskala

66 F Sehen wir mit dem Auge oder dem Gehirn? Vorlage Farbwörter 67 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

68 Hören

69 G Wie können wir Richtungen hören?

70 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung 71 H Untersuchungen zur Schallerzeugung 72 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

73 I Meeresrauschen ohne Meer

74 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung 75 Weitere Sinne

75 Fächerübergreifende Lernlandkarte 76 J Wie wir Wärme fühlen

78 K Überraschungen beim Tastsinn

80 L Das Reaktionsvermögen Vorlage Reaktionskarte 81 Hinweise zur Vorbereitung und Durchführung

Alle Seiten des Buches finden Sie noch einmal als farbige Word-Version auf der CD-Rom. So können

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2. Fächerübergreifendes, aktives Lernen im naturwissenschaftlichen Unterricht – ein Plädoyer

2. Fächerübergreifendes, aktives Lernen im naturwissenschaft- lichen Unterricht – ein Plädoyer

Warum Naturwissenschaften fächerübergreifend unterrichten?

Der naturwissenschaftliche Unterricht in der Schule hat sich verändert, die Fächer Biologie, Physik und Chemie rücken näher zusammen, vernetztes Wissen wird gefordert. Das macht besonders in den ersten naturwissenschaftlichen Lernjahren Sinn, da die Schüler die Welt noch nicht in den Schubladen der Fachwissenschaften denken. Der fächerübergreifende Zugang zu naturwissenschaftlichen Themen, sei es nun im Rahmen eines integrierten Faches Naturwissenschaften oder durch Kooperation der einzelnen Fächer und entsprechend abgestimmter Gestaltung des Schul- curriculums, entspricht der natürlichen Fragehaltung und Weltsicht der Schüler. Kaum ein Schüler wird sich beim Thema „Winterschlaf der Tiere“ zur Frage nach den Möglichkeiten, Temperaturen zu messen, mit der Antwort zufrieden geben: „Das gehört zur Physik und kommt erst nächstes Jahr dran. Frag dann noch mal!“

Die aus der universitären Lehre tradierte Spezialisierung und Kategorisierung ist im Anfangsunter- richt nicht nur überflüssig, sondern geradezu hinderlich. Besonders in den ersten Jahren kommt ne - ben der Vermittlung von Basiswissen, der Erzeugung einer gewissen Faszination für die Phänomene der Naturwissenschaft, ein ‚Neugierig-Machen‘ auf mehr, eine bedeutende Rolle zu. Die Naturwis- senschaften sollen nicht als trocken, langweilig und gar schwierig empfunden werden, sondern als faszinierendes, den Geist anregendes ‚Welträtsel‘.

Folgende Vorteile des fächerübergreifenden naturwissenschaftlichen Unterrichts können differenziert werden:

➼ Naturphänomene sind im Allgemeinen komplex und in bestimmte Rahmenkontexte eingebettet, die selten in die Schublade eines Einzelfachs passen. Die natürliche Neugier der Lernenden stoppt nicht an den Fächergrenzen. Ein Abblocken des sich entwickelnden Interesses an be- stimmten Sachfragen wirkt sich kontraproduktiv auf die Motivation der Schüler aus.

➼ Schlüsselprobleme der Menschheit, wie globale Erwärmung, Ressourcenknappheit oder Überbe- völkerung, sind nur als fächerübergreifende Themen vermittelbar, wie auch deren mögliche Lö- sungen interdisziplinäre Forschungen erfordern. Gerade die in Schulen übliche Praxis, in nahezu jedem Fach an geeigneter Stelle auf einen Teilaspekt dieser Probleme einzugehen, führt bei den Schülern schnell zu einer gewissen Desensibilisierung. Nur eine fächerübergreifende, konzer- tierte Bearbeitung wird der Bedeutung dieser Themenkomplexe gerecht. Es werden andere über- fachliche Schlüsselqualifikationen wie Reflexionsfähigkeit oder Nachhaltigkeitskompetenz gezielt gefördert.

➼ Interdisziplinarität und das flexible Springen zwischen den Vorstellungen, Methoden und Anwen- dungen verschiedenster Forschungsrichtungen wird heute von vielen Berufsanfängern eingefordert und sollte daher schon früh praktiziert werden.

➼ Mädchenförderung in den Naturwissenschaften stellt sich oft als schwierig heraus. Gerade die Herauslösung von Einzelheiten aus dem Kontext, sodass der Bezug zu realen Phänomenen und Alltagsbezügen verloren geht, wie es besonders im Physikunterricht oft der Fall ist, führt speziell bei Mädchen schnell zu einer Ablehnung des ganzen Fachs. Der vernetzte Unterricht bietet hier die Chance, auch diese im vermehrten Maße anzusprechen.

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4. Methodenkarten

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Methodenkarte 1

Was gehört in eine Prinzipskizze?

Eine Prinzipskizze illustriert den Aufbau und die Durchführung eines Experiments.

Beachte:

➼ Zeichne nur das Wichtigste.

➼ Stelle die Geräte vereinfacht dar.

➼ Verwende Symbole, z. B. Pfeile.

➼ Verdeutliche durch Farben.

➼ Beschrifte sinnvoll.

➼ Vergiss nicht die Überschrift.

Methodenkarte 2

Diagramme zeichnen

Diagramme veranschaulichen den Verlauf von Veränderungen, z. B. von Daten in einer Tabelle.

Beachte:

➼ Zeichne mit Blei- oder Buntstift.

➼ Verwende Lineal und Kästchenpapier.

➼ Stelle die Achsen als Pfeile nach rechts und oben dar.

➼ Welche Werte kommen vor?

➼ Welche Werte kommen auf die Achse nach oben, welche nach rechts?

➼ Wie viel cm Platz brauchst du?

➼ Beschrifte die Achsen: „Was?“

➼ Unterteile die Achsen: „Wie viel?“

➼ Zeichne die Punkte als Kreuze (+).

➼ Finde die richtige Stelle:

Erst rechts, dann hoch.

➼ Verbinde die Punkte eventuell mit einer Linie.

➼ Trage weitere Messungen mit einer anderen Farbe ein.

➼ Vergiss nicht die Überschrift.

Beispiel:

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4. Methodenkarten

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Methodenkarte 6

Säulendiagramme zeichnen

Säulendiagramme zeigen auf einen Blick die Zusammensetzung von Dingen und die jeweiligen Mengen.

Beachte:

➼ Zeichne mit Blei- oder Buntstift.

➼ Verwenden Lineal und Kästchenpapier.

➼ Auf die Achse nach rechts kommen die Merkmale.

➼ Auf die Achse nach oben zeichnest du die Menge.

➼ Gib die Menge in Prozent (%) oder absolut an.

➼ Wähle einen günstigen Maßstab, z. B. 1cm = 10 %.

➼ Wie viel cm Platz brauchst du?

➼ Die Summe aller Säulen ergibt 100 %.

➼ Beschrifte dein Diagramm sorgfältig.

➼ Vergiss nicht die Überschrift.

➼ Unterteile die Hochachse: „Wie viel?“.

➼ Verdeutliche mit Farben und zeichne eventuell eine Legende ein.

Methodenkarte 7

Mittelwerte berechnen

Mittelwerte von Messdaten zeigen viel genauer den wahren Wert als die ungenau gemessenen Einzeldaten.

Hat man einen Wert z. B. vier Mal gemessen, so addiert man alle Messungen und teilt die Summe durch die Anzahl der Messungen, also 4.

Das Ergebnis heißt Mittelwert und wird mit x abgekürzt: = + + 4 + a b c d x

Beachte:

➼ x ist genauer als die Messungen.

➼ Die Einheit von x bleibt gleich (z. B. cm).

➼ Je mehr Daten du addierst, desto genauer ist das Ergebnis.

➼ x ist nur sinnvoll bei gleichen Messungen.

➼ Die Bedingungen dürfen sich nicht ändern.

➼ Runde auf so viele Kommastellen, wie es sinnvoll ist.

Die Größe von Kai wurde vier Mal gemessen: a = 152 cm

b = 151 cm c = 151 cm + d = 153 cm 607 cm

Die Summe wird durch die Anzahl 4 geteilt: x= 604 : 4 = 151,75 cm Sinnvoll gerundet: x= 151,8 cm

Beispiel:

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5.1 Ernährung und Verdauung

Didaktische Hinweise zu den Materialien zur Ernährung und Verdauung Mit dem anatomischen Thema der Verdauung eng verknüpft ist das Themenfeld gesunde Ernährung, sowie allgemein der Energiestoffwechsel von Lebewesen, wobei der letztgenannte Bereich chemische Grundkenntnisse erfordert und schwerpunktmäßig in die höheren Jahrgangs- stufen fällt. Trotzdem kann in den ersten Lernjahren eine Einführung und erste Orientierung gegeben werden. Dazu eignen sich die Grundnahrungsbestandteile Fett, Eiweiß und Stärke gut, da sie quantitativ den größten Anteil unserer Nahrung stellen. Auch ohne detaillierte chemische Kenntnisse kann die Aufspaltung der Nahrungsbestandteile während des Verdauungsprozesses modellhaft nachvollzogen werden. Dabei ist es sinnvoll, die später im Fokus der Aufmerksamkeit stehenden enzymatischen Spaltungsvorgänge prinzipiell einzuführen. Genau dies wird im Modell- experiment „Die Verdauung im Modellversuch“ thematisiert. Hier werden anhand eines Stranges aus LEGO-Steinen, der ein stärkehaltiges Fragment eines Nahrungsmittels darstellen soll, die sukzessive mechanische und chemische Zerlegung bis hin zur Resorption der Zuckermoleküle in der Darmwand durchgespielt.

Ein weiterer Bereich, der bei dem Teilthema Ernährung von großer Bedeutung ist, ist der Nachweis von Nahrungsmittelbestandteilen in Lebensmittelproben. Hierzu sind der Sammlung zwei Materi- alien beigegeben worden, die Schülern einfache und gefahrlose Anleitungen an die Hand gibt, mit deren Hilfe sowohl Fett als auch Stärke sicher nachgewiesen werden können. Auf den etwas kom- plizierteren Eiweißnachweis wurde hier verzichtet, er kann aber als Demonstrationsexperiment die drei Hauptnahrungsstoffe ergänzen.

Beide Schülerversuche sind als Gruppenarbeiten angelegt und bilden eine erste Übung im kon- zentrierten naturwissenschaftlichen Arbeiten nach einer fest vorgegebenen Reihenfolge. Auch die Auswertung, die eine genaue Beobachtung und anschließende Verschriftlichung umfasst, ist eine gute Vorübung für spätere chemische oder biologische Versuche. Ergänzende Informationen dienen der Interpretation des Gesehenen und führen zu einer besseren Einordnung in das vor- handene Wissensnetz.

Methodisch werden zudem die Fachspezifika Ergebnistabelle und Prinzipskizze eingefordert, deren Einübung durch die jeweilige Methodenkarte erleichtert wird.

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5.1 Ernährung und Verdauung

Hinweise zum Versuch B „Wir weisen Stärke nach“

Der Nachweis der drei Nahrungsgrundstoffe Stärke, Fett und Eiweiß gehört zum Standardreper- toire des Biologieunterrichts, wobei jedoch zumeist nur Demonstrationsversuche durchgeführt werden. Der Stärkenachweis mittels Lugol’scher Lösung ist jedoch sehr einfach und weitgehend ungefährlich, sodass er sich bei nötiger Instruktion schon für Anfangsklassen als Gruppenexperi- ment eignet. Zugleich stellt er einen guten Einstieg in die große Klasse der Indikatorversuche dar, bei denen Stoffeigenschaften mithilfe von Farbumschlagsreaktionen bestimmter Reagenzien nachgewiesen werden.

Die Lugol’sche Lösung ist eine Jod-Kaliumjodid-Lösung in Wasser in einem Verhältnis von 1 : 2, die auch fertig im Handel angeboten wird. Ihre Wirkungsweise beruht auf einer Einlagerungsreaktion mit einem charakteristischen violetten Farbumschlag, bei der die Jod-Ionen in die Stärkemoleküle eingelagert werden.

Für die Untersuchung auf Stärke eignen sich am besten Ausgangsmaterialien wie Reis, Bohnen und Weizen und nicht Zubereitungen wie Brot oder Reiswaffeln, da letztere stets Mischungen verschiedener Nahrungsstoffe sind. Vielmehr sollten die anschließenden Schlussfolgerungen der Schüler vom Grundstoff auf Weiterverarbeitung gehen: „Wenn Weizen Stärke enthält, so auch Brötchen.“

Um die Inhaltsstoffe der zu testenden Nahrungsmittel der Indikatorlösung zugänglich zu machen, ist es nötig, diese etwas zu zerkleinern. Dies wird am besten mit einem kleinen Küchenmesser direkt auf dem Teller durchgeführt, auf dem auch der Nachweis stattfindet. Wenige Körner reichen für die Analyse aus.

Die Lugol’sche Lösung wird anschließend mittels einer Pipette tropfenweise auf die Proben gegeben, wobei sich in Anwesenheit von Stärke ein Farbumschlag ins Dunkelblaue schnell einstellt.

Anhand der Färbung einer Schnittfläche z. B. eines Weizenkorns kann man deutlich unterscheiden, dass nicht jeder Teil des Korns Stärke enthält, sondern dass sie im sogenannten Mehlkörper konzentriert ist. Die Färbung der Bohnen setzt später ein und ist auch nicht so intensiv, was die Schüler als Hinweis auf eine geringere Stärkekonzentration deuten sollen.

Als Negativbeispiele sind die Probesubstanzen Zucker und Salz beigegeben. Speziell die Untersu- chung von Zucker als kurzkettigem Kohlenhydrat und Bruchstück von Stärkemolekülen ist in diesem Zusammenhang interessant und wird in der Auswertung in Frage 9 aufgegriffen. Die Thematik des Stärkeabbaus kann im Rahmen des Versuchs C „Die Verdauung im Modellversuch“ weiter vertieft werden.

Die Entsorgung der Versuchsprodukte kann gefahrlos im Haushaltsmüll geschehen. Die Gerät- schaften und Hände können mit Wasser und Seife am Waschbecken gereinigt werden.

Zur Auswertung der Ergebnisse empfiehlt sich die Zusammenfassung in einer Tabelle. Wie die Schüler eine solche Ergebnistabelle anlegen und sinnvoll strukturieren, ist als Hilfestellung auf der Methodenkarte 4 beschrieben.

Eine weitere Aufgabe der Auswertung ist die Frage nach dem biologischen Sinn der Stärkeeinla- gerung in Samenkörnern. Dies erweitert die Sichtweise des Versuchs weg von der Ernährung des Menschen hin zur Physiologie der Nahrungspflanzen. Relativ leicht können die Schüler schließen, dass die hohe Konzentration von Nahrungsenergie, die uns die stärkehaltigen, auf Samen basie- renden Nahrungsmittel liefern, auch für den keimenden Sprössling der jeweiligen Pflanze eine gute Nahrungsreserve für das Wachstum darstellen muss. Eine mögliche Fortführung der Untersuch- ungen in diese Richtung, z. B. in Form freiwilliger Arbeitsgruppen, wären Keimversuche mit Ge- treide, wobei der Abbau der Stärke im Keim durch enzymatische Spaltung wiederum durch die Lugol’sche Lösung nachgewiesen werden kann.

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5.1 Ernährung und Verdauung

Materialien zu C – Die Ve rdauung im Modellver such

C – VerdauungsmodellStationskarte I Info: Der erste Abschnitt der Verdauung beginnt bereits im Mundraum mit der Zermalmung der abgebissenen Nahrung durch die Backenzähne. Schon als kleines Kind hast du bestimmt von deiner Mutter gehört: „Immer gut kauen!“ Das ist tatsächlich für eine leichtere Verdauung sehr wichtig. Aufgabe  Baue alle 20 Legosteine zu einem langen Turm aufeinander.  Dieser Strang stellt ein Stück stärkehaltige Nahrung, z. B ein Stück Brötchen, dar.  Jetzt kommt der erste Schritt der Verdauung: Die Zähne zerkleinern die Nahrung in kleine Stückchen. Zerbrich dazu den Legostrang mittig in zwei gleiche Teile.

C – VerdauungsmodellStationskarte II Info: Die Verdauung geht nun zunächst im Mundraum weiter: Die Speicheldrüsen liefern eine Flüssigkeit, Speichel oder Spucke genannt, die nicht nur die zerkaute Nahrung zu einem Brei anfeuchtet, sondern darüber hinaus Enzyme genannte Substanzen enthält, die man sich wie molekulare Werkzeuge vorstellen kann. Sie funktionieren wie ein Messer, das die Stärkemoleküle in kleinere Einheiten, die Dextrine, spaltet. Aufgabe  Dies ist der zweite Schritt der Verdauung: Die Speichelenzyme spalten die Stärkemoleküle in mehrere Teile. Zerbrich beide Legostränge erneut mittig in gleiche Teile.  Überlege, was genau in dem Bild rechts oben dargestellt ist. C – VerdauungsmodellStationskarte III Info: Der Speisebrei wird schließlich geschluckt und gelangt in den Magen. Hier ist es wegen der Magensäure, die Eiweiße auflösen soll, viel zu sauer für die empfindlichen Enzyme. Erst im Dünndarm gehen Enzyme, diesmal aus der Bauchspeicheldrüse, wieder ans Werk. Die schon etwas zerbrochene Stärke wird in einzelne Zuckermoleküle gespalten. Aufgabe  Nun folgt der dritte Schritt der Verdauung: Die Enzyme aus der Bauchspeicheldrüse zerlegen die Stärke in Zuckermoleküle. Zerbrich alle Stränge in einzelne Legos.  Überlege, was passiert, wenn man nun Mehl oder Zucker in Wasser einrührt.

C – VerdauungsmodellStationskarte IV Info: Bis hier hin bestanden die Verdauungsschritte lediglich aus einer immer weiter gehenden Zerkleinerung der Stärkemoleküle. Es stellt sich die Frage, wofür das nötig ist. Die Löslichkeit der kleinsten Bruchstücke, der Zuckermoleküle, gibt uns einen Hinweis: In der Darmschleimhaut befinden sich Membranen, d.h. dünne Häutchen, die nur die Zuckermoleküle passieren lassen, sodass diese in den Blutstrom übertreten und im Körper verteilt werden können, wo sie als Nahrung in den Zellen gebraucht werden. Aufgabe  Es folgt der letzte Schritt der Verdauung: Die Zuckermoleküle werden von der Darmschleimhaut durchge- lassen (resorbiert) und gelangen in den Blutstrom. Setze den Deckel auf die Box, schütte die Legos darauf und schüttle.

Bauchspeicheldrüse

CA B

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5.2 Bewegungssystem

Lernlandkarte und fächerübergreifende Themenkomplexe zum Bewegungssystem

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5.2 Bewegungssystem

Hinweise zum Modellversuch B „Warum Gelenke nicht quietschen“

Bei den Materialien zu diesem Versuch stellt nur das Feuer ein Problem dar. Die nötige Sorgfalt und der sachgemäße Umgang muss vorher thematisiert werden. Auch sollte die Feuerquelle in Händen der Lehrkraft oder eines verantwortungsvollen Schülers bleiben. Das Öl kann ein handelsübliches Speiseöl sein, das in kleiner Menge in einem weithalsigen, verschraubbaren Gefäß aufbewahrt wird. Für das abschließende Reinigen der Finger eignen sich Papierhandtücher.

Die dunkle Pappe dient gleichzeitig als Unterlage gegen Verunreinigung des Tischs als auch zur besseren Visualisierung des Kreideabriebs beim 1. Versuch. Um die Auswertung am Ende zu vereinfachen, sollen die Schüler schon während der Teilversuche die wesentlichen Beobach- tungen und Schlussfolgerungen schriftlich festhalten. Dazu dienen entsprechende Leitfragen.

Die folgenden Teilversuche erhöhen den Schutz der Modellknochen vor Verschleiß. Es wird für die Schüler deutlich, dass durch die doppelte Strategie einer weichen Kontaktschicht (des Knorpels) und einer zusätzlichen Ölung (der Gelenkschmiere) ein optimaler Schutz gewährleistet wird.

In der Auswertung werden anhand einer von den Schülern anzufertigenden Querschnittzeichnung eines Armgelenks die Entsprechungen des Funktionsmodells mit der wahren Gelenkanatomie ver- deutlicht, indem die echten Gelenkteile den Modellbestandteilen gegenüber gestellt werden. Dabei werden diese anatomischen Begriffe nicht zur Verfügung gestellt, sondern müssen erst im Lehr- buch oder einer anderen Quelle recherchiert werden. Die vollständig ausgefüllte Zeichnung sollte in etwa wie untenstehend aussehen. In einer abschließenden Reflexion können die Schüler die Eingangsfrage zusammenfassend beantworten.

Mögliche Lösung zur Beschriftung der Prinzipskizze

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5.3 Atmung und Blutkreislauf

A – Wie funktioniert die Lunge?

Info: Viele Menschen glauben, dass man einatmet, indem man die Lunge aufbläht wie einen Luftballon, und dass durch das Aufblähen der Lunge auch der Brustkorb schwillt. Das einfache Ballonmodell der Lungenatmung wird uns verraten, dass dies nicht stimmt und wie die Lunge tatsächlich mit Luft gefüllt wird.

Material: Ballonmodell der Lunge

Bauchatmung Brustatmung

Das Zwerchfell ist ein Muskel, der sich beim Einatmen nach unten wölbt. Dadurch wird im Brustraum ein Unterdruck erzeugt, sodass sich die Lungenflügel aufblähen müssen. Beim Ausatmen erschlafft das Zwerchfell wieder in seine natürliche Lage und die Luft entweicht aus der Lunge.

Die Rippen, die den Brustkorb schützend umgeben, sind unter- einander mit Muskeln verbunden. Werden diese Zwischen- muskeln angespannt, weitet sich der Abstand zwischen den Rippen und der Brustraum wird größer, sodass sich die Lun- genflügel aufblähen. Beim Ausatmen erschlaffen diese Mus- keln wieder und die Luft wird aus der Lunge gepresst.

Arbeitsaufgaben:

A Versuchsanleitung

Vorsicht mit dem Modell: Nicht zu heftig drücken, keine spitzen Gegenstände benutzen!

1.

Nimm das Modell in die Hand und halte es so, dass du den Ballon im Inneren gut sehen kannst.

Presse nun die Plastikflasche vorsichtig zusammen und beobachte, was dabei mit dem Ballon passiert.

2.

Halte das Modell jetzt locker in der einen Hand und drücke mit dem Zeigefinger der anderen Hand leicht auf die Ballonmembran unten. Beobachte wieder das Verhalten des Ballons im Inneren.

3.

Lege eine Hand auf deine Brust und die andere auf deinen Bauch. Atme ein und aus. Bewegt sich die Hand auf deiner Brust, so ist es Brustatmung, ansonsten Bauchatmung. Versuche gezielt, nur die eine oder die andere Atmungsweise zu praktizieren.

B Auswertung (Fragen bitte mit vollständigen Sätzen beantworten.)

1.

Beschreibe die beiden ersten Teilversuche und deine Beobachtungen mit eigenen Worten.

2.

Zeichne eine Prinzipskizze des Lungenmodells (Hilfe: Methodenkarte 1).

3.

Finde durch Vergleich mit den Zeichnungen oben heraus, welche Teile des Modells welche Körpertei- le darstellen sollen und beschrifte deine Prinzipskizze entsprechend.

4.

Erkläre mit eigenen Sätzen, wie die Brustatmung funktioniert.

5.

Beschreibe nun auch die Bauchatmung. Warum wird sie auch manchmal Zwerchfellatmung genannt?

Das Modell, das du für diesen Versuch benutzt hast, nennt man ein Funktionsmodell. Worin liegt der Unterschied zu einem reinen Anschauungsmodell?

Lungenmodell

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5.3 Atmung und Blutkreislauf

Naturwissenschaften integriert – Der menschliche Körper © Auer Verlag – AAP Lehrerfachverlage GmbH, Donauwörth

B – Wir messen unser Lungenvolumen

Info: Ihr sollt in Partnerarbeit experimentell feststellen, wie viel Luft bei einem normalen Atemzug in eure Lungen passt. Die einzige Möglichkeit, die ihr kennt, ein Volumen zu berechnen, nämlich Länge mal Breite mal Höhe, funktioniert hierbei natürlich nicht. Daher werden wir uns zunutze machen, dass die ausgeatmete Luft genau so viel Wasser verdrängt, wie sie selbst an Volumen (Rauminhalt) einnimmt.

Material: Wanne, Flasche, Schlauch, abwischbarer Stift, Litermaß, Mundstücke, Taschenrechner, Tücher

A Eichung des Flaschenvolumens

Bevor ihr mit der eigentlichen Lungenmessung anfangen könnt, müsst ihr zunächst die Flasche mit einer Skala versehen, die euch anzeigt, bis zu welcher Höhe sie welches Volumen beinhaltet.

1. Stellt die Flasche mit der Öffnung nach oben in die leere Wanne.

2. Messt mit dem Litermaß genau 100 ml Wasser ab (100 Milliliter = 0,1 Liter = 100 cm³).

3. Schüttet das Wasser in die Flasche und markiert den Wasserspiegel mit einem kurzen Strich.

4. Wiederholt diese Prozedur, bis die Flasche ganz mit Wasser gefüllt und markiert ist.

5. Unterteilt euer Strichmuster nochmals jeweils in der Mitte, sodass ihr eine 50 ml-Teilung habt.

B Messung des Atemvolumens

In der Zeichnung ist die prinzipielle Methode der Messung veranschaulicht.

Die durch einen Schlauch ausgeatmete Luft wird in einem mit Wasser gefüllten Gefäß aufgefangen und drängt das Wasser hinaus. Am Gefäß kannst du dann das Lungenvolumen ablesen.

1. Füllt die Wanne zur Hälfte und die Flasche randvoll mit Wasser.

2. Verschließt die Flasche mit der Handfläche und stellt sie schnell mit der Öffnung nach unten in die Wanne. Dabei darf keine Luft in die Flasche eindringen.

3. Einer der Partner hält die Flasche fest und hakt nun das gebogene Ende des Schlauchs in den Flaschenhals ein.

4. Der andere atmet normal ein und dann ruhig durch das Mundstück des Schlauchs aus (nicht tief Luft holen). Nun kannst du dein normales Atemvolumen an der selbstgemachten Skala ablesen. Schreibe den Wert auf.

5. Füllt die Flasche wieder auf, wiederholt den Versuch noch vier Mal und notiert jeden Wert.

6. Wenn ihr das Mundstück gewechselt habt, wiederholt ihr den Versuch mit dem zweiten Partner.

7. Wischt zum Schluss die Skala mit den Tüchern fort und werft die benutzten Mundstücke weg.

Tabelle1: Normales Atemvolumen von Jungen und Mädchen verschiedenen Alters in ml

Alter 10 11 12 13 14 15 16

Jungen 205 215 230 250 275 305 335

Mädchen 170 180 200 225 250 275 285

C Auswertung des Versuchs (Jeder Partner muss seine eigene schriftliche Auswertung durchführen.)

1. Beschreibe die Durchführung und die Ergebnisse der Versuche mit eigenen Worten. Verwende ganze Sätze.

2. Zeichne eine Prinzipskizze des Versuchs (Hilfe: Methodenkarte 1).

3. Zeichne mithilfe der Werte in der Tabelle oben ein Diagramm mit Alter (nach rechts) gegen Atemvolumen (nach oben) für dein Geschlecht. Zeichne dazu die Wertepaare als Kreuze ein und verbinde sie dann durch eine glatte Linie (Tipp: Methodenkarte 2). Vergiss die Beschriftung nicht.

4. Bilde mithilfe des Taschenrechners den Mittelwert deiner Messungen und runde sinnvoll.

(Hilfe: Methodenkarte 7). Dies ist dein normales Atemvolumen.

5. Zeichne deinen Wert beim richtigen Alter als roten Punkt in das Diagramm ein und beschrifte.

6. Wenn man vor dem Pusten tief Luft holt, bestimmt man sein maximales Lungenvolumen, welches Vitalkapazität genannt wird. Es ist in etwa 8 Mal so groß wie das normale Atemvolumen. Berechne deine Vitalkapazität.

Miss mit einer Uhr, wie lange du die Luft anhalten kannst. Teile mit dem Rechner deine Vitalkapazität durch die Sekundenzahl und dann durch 5. Da etwa ein Fünftel der Luft aus Sauerstoff besteht, gibt das Ergebnis an, wie viel Sauerstoff du pro Sekunde benötigst. Wie viel ist das pro Tag?

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5.3 Atmung und Blutkreislauf

D – Die Luft, die wir atmen

Info: Die Luft besteht aus Gas. Woraus die Luft genau besteht, war lange Zeit ein Rätsel, denn sie ist schließlich unsichtbar und man kann nicht so leicht mit ihr experimentieren. Heute wissen wir, dass die Luft ein Gemisch aus verschiedenen Gasen ist, die wir als Gesamtheit Atmosphäre nennen, vom griechischen Wort atmos = Luft und sphäre = Kugelschale. Hier soll es darum gehen, die Zusammensetzung der irdischen Lufthülle näher kennenzulernen.

Material: Laminierte Tortenstücke 1) Das Kreisdiagramm der Luft

Kreisdiagramme werden auch Tortendiagramme genannt. Nimm die Torten- stücke zur Hand. Sie sollen die Hauptbestandteile der Luft darstellen und zwar in ihrer relativen Häufigkeit. Das heißt, dass die Stücke jeweils so groß sind, wie es ihrem Anteil am Gesamtvolumen der Luft entspricht. Bekanntlich atmen alle Tiere, und auch wir, Sauerstoff ein. Trotzdem stellt er mit 21 Teilen von 100 Luftteilchen nur die zweitgrößte Menge in der Lufthülle. Den Löwen- anteil mit 78 von 100, das nennt man 78 Prozent, auch 78 % geschrieben

(siehe Methodenkarte 9), macht der sogenannte Stickstoff aus. Der Rest aller Gase zusammen ist dann nur noch etwa 1 %. Dieser Rest besteht zum allergrößten Teil aus dem Edelgas Argon.

Lege die Teile zusammen. Sie ergeben einen Vollkreis = 100 %. Zeichne danach so genau wie möglich ein eigenes Kreisdiagramm der Luft mit den richtigen Farben und beschrifte es mit den Gasen, für die die Teile stehen, den Prozentzahlen und mit einer Überschrift, die erklärt, worum es sich handelt.

2) Das Säulendiagramm der Luft

Ein Säulendiagramm ist eine andere Möglichkeit, die relative Menge von Dingen zu veranschaulichen (siehe auch die Methodenkarte 6). Hier benutzt man verschieden hohe Säulen, um eine Vorstellung davon zu vermitteln, wie viel von etwas vorhanden ist.

Zeichne für die Bestandteile der Luft ein Säulendiagramm.

Überlege dir zunächst eine geeignete Unterteilung der Höhe. Wie viel Prozent soll ein Kästchen oder ein

Millimeter sein? Benutze ein Lineal und kennzeichne die Säulen mit verschiedenen Farben. Vergiss die Beschriftung der Säulen und die Überschrift nicht.

3) Vergleich der Diagramme

Betrachte deine beiden Diagramme. Beschreibe in vollständigen Sätzen, welche Vor- und Nachteile du jeweils siehst. Für welche Arten von Daten sind sie gut oder weniger gut geeignet?

4) Wo ist das Kohlendioxid?

Wahrscheinlich hast du schon gehört, dass wir, und auch alle Tiere, das Gas Kohlendioxid ausatmen.

Warum taucht es dann hier nicht als Bestandteil der Luft auf? Des Rätsels Lösung ist: Weil es so wenig davon in der Luft gibt. Nur 4 von 10 000 Teilchen sind CO₂, wie das Gas auch abgekürzt wird. In keinem deiner Diagramme könnte man daher das Kohlendioxid sehen.

Zeichne folgende Darstellung, um eine Vorstellung von diesem kleinen Anteil zu bekommen:

➼

Zeichne ein Quadrat mit 10 cm Kantenlänge. Da 10 cm gleich 100 mm sind, enthält dieses Quadrat 100 × 100 = 10 000 Quadratmillimeter.

➼

Zeichne an beliebigen Stellen im Quadrat vier kleine Miniquadrate mit jeweils 1 mm Kantenlänge.

Benutze dazu ein Lineal. Diese vier Quadrate stellen die CO2-Teilchen dar.

Beschrifte dieses Bild so, dass ein Fremder verstehen kann, was es darstellen soll.

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5.3 Atmung und Blutkreislauf

F – Das Herz-Kreislauf-Spiel

Info: Vermutlich weißt du schon, dass unser Blutkreislauf durch das Herz angetrieben wird. Weniger bekannt ist, dass unser Herz aus zwei getrennten Teilen, den Herz- kammern, besteht, die zwei verschiedene Kreisläufe in Gang halten. Dieses recht komplizierte Zusammenspiel soll hier in einem Spiel auf dem Schulhof vereinfacht veranschaulicht werden.

Inhalt

➼ Je eine linke und rechte Herzkammer

➼ Je 4 rote und blaue Herzklappen

➼ Je 2 gelbe und grüne Umhängeschilder „Muskel“ und „Lunge“

➼ Eine Herz-Rhythmus-Trommel mit Schlegel

➼ Ein Paket Straßenkreide in den Farben rot, grün, blau, gelb

➼ Schachtel mit CO2-/O2-Kärtchen (je 30)

Vorbereitung

➼ Malt wie auf dem Bild rechts ein mindestens 2 m großes Herz auf den Schulhof. Verwendet die gleichen Farben wie im Bild.

➼ Ergänzt darüber und darunter Lunge und Muskel und auch die Blutbahnen.

➼ Verteilt folgende Rollen:

– 1 Schüler: führt Regie und schlägt die Herz-Rhythmus-Trommel

– 5 Schüler: linke Herzkammer (je 2 mit einer roten Herzklappe, einer mit Herzkammer) – 5 Schüler: rechte Herzkammer (je 2 mit einer blauen Herzklappe, einer mit Herzkammer) – 2 Schüler: Lunge (jeder hängt sich ein Lungen-Schild um). Sie bekommen alle O2-Karten.

– 2 Schüler: Muskel (jeder hängt sich ein Muskel-Schild um). Sie bekommen alle CO₂-Karten.

– Alle übrigen Schüler sind rote Blutkörperchen.

Durchführung

➼ Die Blutkörperchen stellen sich vor dem Eingang zur blauen Herzkammer in einer Reihe auf.

➼ Die Ein- und Ausgänge der Herzkammern werden durch je zwei Herz-Spieler mit ihren Klappen verschlossen. Die beiden Herzkammer-Spieler stehen Rücken an Rücken auf der Scheidewand.

➼ Der Trommler gibt den Herzschlag und damit das Öffnen und Schließen der Herzklappen an, zuerst ganz langsam.

1. Schlag: Einlassklappen öffnen sich und lassen ein Blutkörperchen hinein. Der Auslass bleibt zu.

2. Schlag: Einlassklappen schließen sich und Auslassklappen öffnen sich. Dabei schiebt die Herzkammer das Blutkörperchen hinaus. Dies geht über die Ader zur Lunge.

➼ Nächster Takt: Wiederholung von Schlag 1 und 2 usw.

➼ In der Lunge bekommt das Blutkörperchen eine O2-Karte und geht damit weiter zur roten Herzkammer.

➼ In beiden Herzkammern öffnen und schließen sich die Klappen abwechselnd und schleusen die Blutkörperchen durch.

➼ Von der linken Herzkammer gelangen die Blutkörperchen in den Muskel. Dort geben sie ihre O₂-Karte bei einem Muskel-Spieler ab und bekommen vom zweiten eine CO2-Karte.

➼ Vom Muskel geht der Weg zurück zur rechten Herzklappe und von dort wieder zur Lunge, wo der zweite Lungen-Spieler die CO2-Karten einsammelt.

➼ Das Spiel ist beendet, wenn alle CO2-Karten in der Lunge sind.

Variation

➼ Tauscht die Rollen, sodass jeder einmal ein Blutkörperchen ist.

➼ Es können verschiedene Tätigkeiten des Körpers simuliert werden, z. B. Schlaf, Sprint, etc.

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5.3 Atmung und Blutkreislauf

Hinweise zum Versuch G „Der Lego-Molekül-Baukasten“

Dieses Material befasst sich mit den chemischen Grundlagen der biologischen Prozesse und ergänzt den Versuch zur Zusammensetzung der Luft. Es stellt in einer spielerisch-haptischen Weise die möglichen Moleküle dar, deren Namen die Schüler längst aus dem Alltag kennen, und lässt sie sie als Konsequenz einfacher Bildungsregeln entdecken.

Grundlage der Modellexperimente sind einfache Legosteine, die z. B. günstig auf Flohmärkten angeboten werden. Die Grundidee dabei ist, dass die verschiedenen Steine mit ihrer unterschiedlichen Anzahl von Verbindungsstellen die jeweilige Atomsorte mit gleicher Anzahl von freien Bindungsmöglichkeiten repräsentiert, wie sie sich aus dem Bau der Elektronenhüllen ergibt.

Es wird dabei natürlich nicht zwischen Elektronenüberschuss bzw. -mangel differenziert. Die jeweilige Farbe der Atomsorte, dient nur der stärkeren Unterscheidbarkeit und ist zum Teil an den technisch verwendeten Farben, z. B. den roten Wasserstoffflaschen, orientiert. Die Grundregel zur Verknüpfung lautet, dass Atome immer alle zur Verfügung stehenden Verbindungsstellen auch besetzen wollen. Als einzige weitere Bildungsregel wird genannt, dass nur die Verknüpfungen auf der Oberseite der Steine gelten. Es ist also nicht erlaubt, Stapel von Legosteinen zu erstellen. Dabei wird die Bindung zwischen zwei Atomen durch dünne Zweierplättchen realisiert, die auf die jeweiligen Legosteine gedrückt werden.

So muss ein Wasserstoffatom notgedrungen ein Einer-Stein sein, während der Zweier-Stein das Sauer- stoffatom repräsentiert, der Dreier den Stickstoff und der Vierer den Kohlenstoff. Damit sind bereits alle Atomsorten beisammen, die die einfachsten Grundlagen der Biomoleküle und der Atmosphärenchemie repräsentieren. Lediglich das Argonatom wurde der Vollständigkeit halber zusätzlich mit aufgenommen, um einerseits die Möglichkeit, dass keinerlei Bindung erfolgt, d. h. das Prinzip der Edelgase, zu repräsentieren, und andererseits, um dessen Anteil an der Atmosphäre zu berücksichtigen. Dabei muss das Argonatom aus einem Stapel von zwei dünnen Viererplättchen und einem abschließendem glatten Viererplättchen ohne Verbinder aufgebaut werden, da es keine dicken Legosteine ohne Deckverbinder gibt.

Bei den Modellversuchen wird zwischen den gleichatomigen und den verschiedenatomigen Molekülen unterschieden. Karte A widmet sich dem ersten Fall und dient gleichzeitig als Einführung in das System.

Sie beginnt mit Wasserstoff als dem einfachsten Element. Schon hier müssen die Schüler erkennen, dass die Bindungsregel einzig die Verbindung von je zwei Wasserstoffatomen zulässt. Im nächsten Schritt wird die chemische Kurzschreibweise, vielen Schülern bereits in Ansätzen bekannt, vorgestellt und das so gebildete Molekül als H₂ beschrieben. Auch die Herkunft der Abkürzungen aus den

historischen lateinischen Namen der Stoffe wird thematisiert. Im weiteren Verlauf entdecken die Schüler, dass sich nach den Bindungsregeln zwar sowohl O3 (Ozon) als auch O2 (normales Sauerstoffgas) bilden lässt, dies bei Stickstoff jedoch nicht möglich ist. Die Arbeitskarte A endet mit einem Blick auf die

Edelgase und die Modifikationen von Kohlenstoff, bei dem es nicht möglich ist, zwei- oder dreiatomige Moleküle zu bilden.

Im Teil B werden Moleküle aus verschiedenen Atomsorten untersucht. Den Anfang macht das allseits bekannte Wassermolekül H2O, das sich aus der Bildungsregel zwangsläufig ergibt und dessen bekannte Formel nun im Rahmen der eingeführten Benennungssyntax für die Schüler Sinn ergibt. Es folgt das CO2, welches den Schülern in den verschiedensten Kontexten schon begegnet ist und sich zwanglos in das Ordnungsprinzip der Moleküle einordnet.

Im weiteren Verlauf werden nun immer komplexere Konstruktionsaufgaben gestellt, bei denen entweder, wie bei Methan, die Zusammensetzung vorgegeben und der Zusammenbau sowie die daraus resultie- rende chemische Formel eingefordert werden, oder es wird die Formel, z. B. von Lachgas oder Methanol, genannt, und die Schüler müssen danach das Molekülmodell erstellen. Eine weitere Aufgabe widmet sich dem Ammoniak, NH₃, dessen Zusammensetzung und Bedeutung recherchiert werden soll.

Kennzeichnend für alle behandelten Substanzen ist, dass die Schüler ihren Namen bereits in anderen schulischen Kontexten oder im Alltag gehört haben und ihnen der Modellbaukasten eine Möglichkeit eines einfachen Ordnungsprinzips vermittelt, das dazu an dem strengeren Gesetzen des späteren Chemieunterrichts orientiert ist. Dass es sich bei den verwendeten Legosteinen um eingeschränkte Funktionsmodelle und nicht um realistische Anschauungsmodelle von Atomen handelt, ist jedem Schüler sofort klar.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Legos anstelle der öfters im chemischen Fachunterricht zum Einsatz kommenden Molekül-Stecksysteme ist die größere Akzeptanz und Vertrautheit der Schüler mit den allseits bekannten Steinen, was sich meist in einer ausgeprägten Spiel- und Experimentierfreude

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5.4 Sinnesorgane – Sehen

A – Wir suchen unseren blinden Fleck oder

Das Auge ist nicht perfekt

Info: Warum sieht man am blinden Fleck nichts?

Der blinde Fleck ist die Stelle in unserem Auge, an der der Nerv, der die Bildinformationen an unser Gehirn überträgt, durch die lichtempfind- liche Netzhaut hindurch tritt. Deshalb ist dieser Fleck frei von Sinneszellen. Dieser Teil des Bildes, das auf die Netzhaut fällt, fehlt somit.

Unser Gehirn ist jedoch schlau und füllt

normalerweise den fehlenden Teil mit ähnlichen Bildinformationen aus der Umgebung aus. Sonst hätten wir immer ein Loch im Bild, das wir gerade sehen. Wenn sich aber genau nur an dieser Stelle ein anderes Objekt befindet, so können wir es nicht sehen. Hier erfährst du, wie du deinen blinden Fleck mit einem einfachen Experiment aufspüren kannst.

Material: Je eine Karte mit Kreuz und Punkt, eine mit Kreuz, Zebra und Käfer und eine mit Kreuz, rotem Punkt und Linienmuster.

Anleitung und Aufgaben

1.

Nimm die Karte mit Kreuz und Punkt in die Hand und halte sie mit dem schwarzen Punkt nach rechts mit ausgestrecktem Arm vor dein Gesicht.

2.

Halte dir das linke Auge zu und richte den Blick deines rechten Auges auf das Kreuz am linken Bildrand.

3.

Ändere langsam den Abstand der Karte zu deinem Gesicht, ohne das

Kreuz aus dem Auge zu lassen. Plötzlich verschwindet der Punkt. Du hast deinen blinden Fleck gefunden!

4.

Wiederhole das Experiment mit der Zebrakarte. Auch der Marien- käfer verschwindet beim richtigen Abstand. Nicht einmal die rote Farbe kann man noch erkennen. Doch beobachte genau: Das Zebra hat an dieser Stelle kein Loch. Dieses Rätsel können wir mit der nächsten Karte genauer untersuchen.

5.

Nimm nun die dritte Karte und führe das Experiment wie gehabt durch. Beobachte, was du an der Stelle des roten Punkts siehst.

6.

Zeichne den Schnitt durch das Auge sorgfältig ab und beschrifte die Einzelteile.

7.

Schau noch einmal in der Info nach, warum du am blinden Fleck nichts sehen kannst und beschreibe den Sachverhalt mit eigenen Worten in vollständigen Sätzen.

8.

Beantworte auch die Frage, wieso die Streifen kein Loch aufweisen, sondern sichtbar bleiben.

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5.4 Sinnesorgane – Sehen

C – Wo liegt das Spiegelbild?

Info: Mit diesem Experiment wollen wir untersuchen, wo genau das Spiegelbild eines Spiegels liegt.

Dazu musst du in einem Vorexperiment zunächst einmal ermitteln, wie nah du Gegenstände scharf sehen kannst. Dann wiederholen wir das Experiment mit einem Spiegel. Die Kombination beider Ergebnisse wird uns zur Erkenntnis führen, wo das Spiegelbild liegt.

Material: Spiegelkachel (Vorsicht zerbrechlich!), Lineal, Stift

Durchführung

1.

Im Vorexperiment bestimmst du deine eigene minimale Sehschärfe. Darunter versteht man die kleinstmögliche Entfernung zum Auge, bei der du einen Gegenstand noch scharf siehst. Dazu hältst du dir das Lineal ans Auge und führst einen Stift langsam an dem Lineal entlang auf das Auge zu, bis du den Stift gerade noch scharf siehst. Um den Abstand zu ermitteln, bittest du entweder einen Mitschüler, auf dem Lineal den Abstand zum Auge abzulesen, oder du hältst den Stift in dieser Position auf das Lineal gedrückt und nimmst beides dann vom Auge fort. Achte darauf, dass du die Skala auf dem Lineal richtig herum benutzt. Berücksichtige auch, dass einige Lineale mit ihrer Skala nicht am Rand beginnen. Wiederhole das Experiment einige Male, um den Wert sicherer zu bestimmen und notiere deine minimale Sehschärfe.

2.

Im Hauptexperiment wiederholst du die Messung mit dem Spiegel. Wie weit kannst du den Spiegel auf die gleiche Weise an das Auge heranführen, bis du das eigene Auge gerade noch scharf im Spiegel siehst? Dieses Experiment ist schwierig, sodass du es mehrmals wiederholen und jedes Mal den Abstand des Spiegels aufschreiben solltest.

Wenn du mehrere, voneinander abweichende Werte herausbekommen hast, sollst du mit einem Taschen- rechner den Mittelwert berechnen, wie du das auch z. B.

bei deiner Durchschnittsnote machst (Hilfe: Methoden- karte 7). Runde dein Ergebnis sinnvoll und schreibe den Mittelwert als minimalen Spiegelabstand auf.

Auswertung (Fragen bitte in ganzen Sätzen beantworten.)

1.

Beschreibe die Durchführung und die Resultate der beiden Versuche mit eigenen Sätzen.

2.

Zeichne auch jeweils eine Prinzipskizze (Hilfe: Methodenkarte 1) dazu.

3.

Vergleiche die beiden Resultate. Damit kannst du jetzt die Frage beantworten: Wo befindet sich das Spiegelbild? Ist es einfach wie ein Foto auf dem Spiegel?

Auf welche Entfernung musst du einen Fotoapparat einstellen, wenn du dich selbst in einem 1,5 m entfernten Spiegel fotografieren willst?

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5.4 Sinnesorgane – Sehen

E – Der sparsame Schotte

Info: Über die Schotten gibt es viele Witze, weil sie so sparsam sind.

Hier kannst du ausprobieren, wie ein Schotte Geburtstag feiert.

Dazu benutzen wir einen Klappspiegel, bei dem zwei Spiegelkacheln beweglich zusammengeklebt wurden, sodass man die beiden Hälften in verschiedene Winkel zueinander stellen kann. Gleichzeitig ermög- licht dieser Aufbau es auch, dass der Doppelspiegel ohne Hilfe steht.

Material: Klappspiegel, Kerze im Halter, Bauklotz mit Zahlen, Grad-Skala

Schottengeburtstage

1.

Klappe die Spiegelhälften soweit auf, dass die spiegelnden Flächen einen Winkel von 90° zueinander einnehmen. Nimm dabei die Grad-Skala mit 5°-Unterteilung zur Hilfe. Stelle die Kerze vor den Doppelspiegel und schaue hinein. Ist der Winkel korrekt, sollte die Kerze mit dem Original genau vierfach zu sehen sein: Der 4. Geburtstag des Schotten.

2.

Untersuche systematisch, bei welchen Winkeln welcher Geburtstag gefeiert wird. Achte darauf, dass die Tortenstücke auf dem Boden dabei immer gleich groß sind.

3.

Trage deine Ergebnisse in einer Tabelle wie unten ein.

Geburtstag 2 3 4 5 6 8 10

Winkel

4.

Überlege, nach welcher Regel man den Winkel berechnen kann. (Tipp: Multipliziere den Geburtstag mit dem jeweiligen Winkel.) Probiere die Regel an weiteren Beispielen und kontrolliere auch mit dem Winkelspiegel. Formuliere zuletzt eine Regel als Merksatz.

Das Bild vom Bild vom Bild

1.

Stelle die Spiegel auf genau 90°, sodass unten gerade durchgehende Linien zu sehen sind. Schaue dein Gesicht hinten im Winkelspiegel an. Was ist anders als üblich? (Tipp: Blinzle einmal mit dem rechten Auge.) Schreibe die Unterschiede zum normalen Spiegelbild auf.

2.

Lege den Bauklotz zwischen die Spiegel. Du siehst neben dem Original drei Spiegelbilder

(auch virtuelle Bilder genannt). Beachte die Zahlen auf dem Quader. Versuche zu erklären, wie das 3. Abbild hinten entsteht.

3.

Konstruiere die drei Spiegelbilder in der Aufsicht rechts.

Zeichne dazu die Vorlage ab und spiegle die Figur, wie du es in der Mathematik gelernt hast.

Mit welcher Symmetrie-Konstruktion könnte man direkt vom Original zum dritten Bild gelangen?

4.

Etwas Merkwürdiges zum Schluss: Halte den Winkelspiegel mit beiden Händen bei 90° vor dein Gesicht und drehe ihn dann wie ein Lenkrad um eine waagerechte Achse. Was passiert mit deinem Spiegelbild? Drehe bis 90°.

Kerze im Winkelspiegel

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5.4 Sinnesorgane – Hören

G – Wie können wir Richtungen hören?

Info: Wenn jemand im Klassenraum spricht, wissen wir auch ohne hinzusehen, wo sich der Sprecher befindet. Offensichtlich kann das Gehirn die Richtung einer Schall- quelle orten. Wichtig ist hierbei, dass beide Ohren den Ton gehört haben. Jeder kennt den Effekt auch beim Musikhören mit einem Kopfhörer. Deutlich sind verschiedene

Instrumente in unterschiedlichen Richtungen zu hören, obwohl hier die Musik nur von links oder rechts aus den Ohrlautsprechern kommt.

Material: Schlauch mit 2 Trichtern, Markierstift (abwischbar), Lineal, Taschenrechner Aufgaben zur Durchführung

1.

Halte den Schlauch mit den beiden Trichtern an deine Ohren und lass ihn hinter deinem Rücken hängen.

2.

Dein Partner klopft an verschiedenen Stellen mit dem Stift auf den Schlauch. Was hörst du?

Kannst du erraten, wo dein Partner auf den Schlauch geklopft hat?

3.

Wechselt ab, sodass auch der andere Partner das Experiment ausprobiert.

4.

Sucht den Punkt auf dem Schlauch, bei dem der hörende Partner den Ton genau von hinten hört und markiert ihn mit dem Stift.

5.

Klopft nun zunehmend weiter von diesem Punkt

entfernt, bis der hörende Partner eindeutig bestimmen kann, ob der Ton von rechts oder links kommt.

6.

Markiert auch diesen Punkt auf dem Schlauch und messt den Abstand in Millimetern.

7.

Da dieser Versuch sehr ungenau ist, wiederholt das letzte Experiment noch vier Mal und schreibt jedes Mal den Abstandswert auf.

8.

Wechselt euch nun in der Rolle des Hörers und des Klopfers noch einmal ab, sodass zum Schluss jeder seine eigenen fünf Abstandswerte bestimmt hat.

Aufgaben zur Auswertung

1.

Fertigt eine Prinzipskizze und eine Kurzbeschreibung des Versuchs an (Methodenkarte 1).

2.

Beschreibt, was man hört, wenn seitlich geklopft wird. Es kommen dann zwei Töne durch die beiden Schlauchenden zu zwei verschiedenen Zeiten an. Hört man daher auch zwei Töne nacheinander?

3.

Bildet jeweils den Mittelwert eurer gemessenen Abstände von der Mittellage. Falls ihr nicht wisst, wie man den Mittelwert ausrechnet, hilft euch die Methodenkarte 7 weiter. Ihr könnt einen

Taschenrechner zur Hilfe nehmen.

4.

Der Schall bewegt sich sehr schnell, er legt in der Sekunde etwa 340 Meter zurück. Das bedeutet, dass er für jeden Millimeter, den er im Schlauch zurücklegt, etwa 3 Mikrosekunden benötigt. Das ist eine unvorstellbar kurze Zeitspanne, denn eine Mikrosekunde ist der tausendste Teil einer

Tausendstel Sekunde, also ein Millionstel einer Sekunde. Nimm deinen Mittelwert mal zwei und rechne ihn von Millimetern in Mikrosekunden der Laufzeit um. Diese kurze Zeitspanne kann dein Ohr unterscheiden. Aus diesem winzigen Zeitunterschied berechnet dein Gehirn unter anderem die Richtung des ankommenden Tons.

Kannst du erklären, wieso die gemessene Strecke verdoppelt werden muss?

(Tipp: Überlege, wie die beiden Töne zu den beiden Ohren gelangen.)

Experiment zum Richtungshören

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5.4 Sinnesorgane – Hören

I – Meeresrauschen ohne Meer oder

Auch Ohren können sich täuschen

Info: Wie entsteht das Rauschen im Ohr? Wenn du eine Muschel an dein Ohr hältst, kannst du deutlich ein leises Rauschen hören. Deshalb sagt man oft, in der Muschel sei das Rauschen des Meeres eingefangen und man könne es immer noch hören.

Eine weitere Hypothese, wie das Rauschen entsteht, findet man in vielen Büchern und auch im Internet.

Danach stammt das Geräusch, das man hört, von deinem eigenen Körper. Es sei eine Art Echo des Rauschens deines Blutes, das in den Adern des Ohres fließt. Es werde von dem Gefäß eingefangen, innen mehrfach reflektiert und verstärkt und schließlich wieder vom Ohr empfangen.

Eine dritte Hypothese besagt, dass das Ohr nichts mit

dem Rauschen zu tun habe, vielmehr würden in einem Gefäß einige Geräusche, die ständig im Hintergrund vorhanden sind, durch Resonanz verstärkt, ähnlich wie in einer Gitarre die

Saitenschwingungen verstärkt würden.

Material: Muschel, Kunststoffdöschen, Becher

Aufgaben (Fragen bitte in vollständigen Sätzen beantworten.)

1.

Halte die Muschel an dein Ohr. Deutlich hörst du ein Rauschen wie das Murmeln von Wellen am Strand. Es könnte also eingefangenes Meeresrauschen sein.

2.

Versuche auch die anderen Gefäße. Hörst du auch ein Rauschen? Wenn ja, welche der drei Hypothesen scheidet aus?

3.

Vergleiche den Klang, den die verschiedenen Gefäße verursachen. Wenn er verschieden ist, was könnte ihn beeinflussen?

4.

Um zwischen den beiden verbliebenen Hypothesen zu entscheiden, überlege dir, wie das Blut durch die Adern fließt. Welche Art von Geräusch könnte davon erzeugt werden?

Um letztlich eine Entscheidung zu treffen, müsste man ein weiteres Experiment durchführen, das du hier nicht machen kannst. Man müsste ein empfindliches Mikrofon in eine Muschel halten und messen, ob das Rauschen, welches man aufnimmt, innerhalb der Muschel lauter ist als außerhalb. Im Diagramm unten siehst du eine solche Mikrofon-Aufnahme, bei der auf der waagerechten Achse für 19 s die Zeit und auf der senkrechten Achse die Lautstärke (Amplitude) aufgezeichnet ist. Etwa ab der elften Sekunde ist das Mikrofon in eine Muschel gehalten worden.

Beurteile anhand dieses Diagramms, welche der beiden Hypothesen wahrscheinlich zutrifft.

Meeresrauschen aus der Muschel