Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase Absorption thermischer Strahlung durch atmosphärische Gase
4 Die Einbindung in den Schulunterricht 4.1. Einsatz im Fach Physik Der aktuelle Bildungsplan für Physik ordnet die Behandlung des natürlichen und anthropogenen Treibhauseffekts ab Klasse 10 unter dem Apekt Technische Entwicklungen und ihre Folgen ein. Entsprechend der Einordnung in den meisten Lehrbüchern wird dieser jedoch erst in Klasse 11 tiefergehend thematisiert. In dieser Klassenstufe verfügen die Schüler bereits über ausreichend Kenntnisse aus dem Bereich der Strahlungsphysik und der Wärmelehre, um die Thematik physikalisch angemessen behandeln zu können. Entsprechend dieser Einordnung des Themas Treibhauseffekt eignet sich auch der Einsatz des vorgestellten Experiments besonders in dieser Klassenstufe. Auf der Grundlage des aktuellen Bildungsplans für Physik sowie des in Baden-Württemberg weit verbreiteten Lehrbuchs von Dorn-Bader wird die Einbindung des Themas Treibhauseffekt im Anschluss an den Themenkomplex der Strahlungsphysik vorgeschlagen, wie im Folgenden dargestellt: Strahlungsphysik • Elektromagnetische Strahlung • Absorption und Emission, Kirchoffsches Strahlungsgesetz, Schwarzer Körper • Wärmestrahlung und Thermalisation • Leistungsdichte • Spektrale Verteilung der Strahlungsleistung eines Schwarzen Körpers • Wiensches Verschiebungsgesetz und Stefan-Boltzmann-Gesetz Treibhauseffekt • Die Erde als Schwarzer Strahler • Absorption von Wärmestrahlung durch die Atmosphäre • Treibhausgase • Strahlungshaushalt der Erde • Anthropogener Treibhauseffekt Die aufgeführten Grundlagen im Bereich der Stahlungsphysik sind für ein tieferes Verständnis des Treibhauseffekts notwendig und entsprechen inhaltlich den in Kapitel 2 beschriebenen theoretischen Grundlagen in reduzierter Form. Das Thema Absorption von Wärmestrahlung durch Gase steht in den meisten Lehrbüchern im direkten Bezug zum Treibhauseffekt und wird selten molekülphysikalisch behandelt. Damit fehlt meist eine tiefergehende theoretische Begründung für das unterschiedliche Absorptionsverhalten verschiedener Gase. Mit der Durchführung des hier vorgestellten Experiments 54
4.2 Einsatz im Fach NwT kann diese für den Treibhauseffekt grundlegende Ursache zumindest experimentell nachgewiesen und nachvollzogen werden. Dem Experiment kommt an dieser Stelle somit eine wichtige, die Existenz absorbierender Gase sowie den Effekt der Thermalisation rechtfertigende Bedeutung zu, auf dessen Grundlage die nachfolgende Behandlung des Treibhauseffekts aufgebaut werden kann. Mit den genannten Kenntnissen aus dem Bereich der Strahlungsphysik lässt sich das Experiment fachgerecht durchführen und auswerten. Zum Verständnis des Messvorgangs sollte dem Schüler desweiteren die prinzipielle Funktionsweise einer Thermosäule sowie eines Temperaturfühlers bekannt sein. Der beiden Messinstrumenten zugrundeliegende thermoelektrische Seebeck-Effekt wird im gymnasialen Physikunterricht im Allgemeinen aber nicht behandelt. Trotzdem sollte der Schüler verstanden haben, dass die Thermosäule ein, der empfangenen Strahlungsleistung proportionales Spannungssignal liefert, wohingegen der Temperaturfühler direkt die Temperatur des Gases aufnimmt. Die Durchführung des eigentlichen Experiments, dessen Aufbau und die Messwerterfassung, ist auf einen zeitlichen Rahmen ungefähr einer Stunde angelegt. Es empfielt sich daher mindestens eine Doppelstunde für die Durchführung und eine angemessene Auswertung und Diskussion zu veranschlagen. Das Experiment eignet sich sowohl als Demonstrationsexperiment zur Durchführung durch den Lehrer, als auch zur eigenständigen Durchführung durch den Schüler. Der Umgang mit den Druckgasflaschen erfordert jedoch einige Vorsicht und sollte stets unter Aufsicht und Anleitung von Lehrpersonal stehen. 4.2. Einsatz im Fach NwT Das Fach NwT wurde im Schuljahr 2007/2008 landesweit eingeführt. Es wird bereits in den Klassen 8,9 und 10 vierstündig, also mit gleicher Stundenzahl wie die Basiswissenschaften Biologie, Chemie, Geographie und Physik unterrichtet und stellt in der Oberstufe das Profilfach 1 des naturwissenschaftlichen Profils dar. Im Fach NwT werden Themenstellungen, die sich an der Erfahrungs- und Gedankenwelt der Schüler orientieren, aus den Blickwinkeln aller Naturwissenschaften fächervernetzend betrachtet. Dabei werden die in den Basisfächern erworbenen Kenntnisse in einem praxisorientierten, schülerzentrierten Unterricht vertieft. Aufgrund der Interdisziplinarität des Themas Treibhauseffekt, eignet sich dieses Fach sehr gut zur Durchführung des hier vorgestellten Experiments. So können die physikalischen Ursachen des Treibhauseffekts untersucht werden, und die Ergebnisse schließlich hinsichtlich des anthropogenen Treibhauseffekts und dessen Auswirkung auf Natur und Umwelt biologisch und geowissenschaftlich diskutiert werden. 1 Ein Profilfach ist ein im jeweiligen Profil zusätzlich angebotenes Unterrichtsfach. Beispielsweise wird im sprachlichen Profil eine dritte Fremdsprache als Profilfach gewählt. 55
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4.1. Einsatz im Fach Physik<br />
Der aktuelle Bildungsplan für Physik ordnet die Behandlung des natürlichen und anthropogenen<br />
Treibhauseffekts ab Klasse 10 unter dem Apekt Technische Entwicklungen<br />
und ihre Folgen ein. Entsprechend der Einordnung in den meisten Lehrbüchern wird<br />
dieser jedoch erst in Klasse 11 tiefergehend thematisiert. In dieser Klassenstufe verfügen<br />
die Schüler bereits über ausreichend Kenntnisse aus dem Bereich der <strong>Strahlung</strong>sphysik<br />
und der Wärmelehre, um die Thematik physikalisch angemessen behandeln zu können.<br />
Entsprechend dieser Einordnung des Themas Treibhauseffekt eignet sich auch<br />
der Einsatz des vorgestellten Experiments besonders in dieser Klassenstufe. Auf der<br />
Grundlage des aktuellen Bildungsplans für Physik sowie des in Baden-Württemberg<br />
weit verbreiteten Lehrbuchs von Dorn-Bader wird die Einbindung des Themas Treibhauseffekt<br />
im Anschluss an den Themenkomplex der <strong>Strahlung</strong>sphysik vorgeschlagen,<br />
wie im Folgenden dargestellt:<br />
<strong>Strahlung</strong>sphysik<br />
• Elektromagnetische <strong>Strahlung</strong><br />
• <strong>Absorption</strong> und Emission, Kirchoffsches <strong>Strahlung</strong>sgesetz, Schwarzer Körper<br />
• Wärmestrahlung und Thermalisation<br />
• Leistungsdichte<br />
• Spektrale Verteilung der <strong>Strahlung</strong>sleistung eines Schwarzen Körpers<br />
• Wiensches Verschiebungsgesetz und Stefan-Boltzmann-Gesetz<br />
Treibhauseffekt<br />
• Die Erde als Schwarzer Strahler<br />
• <strong>Absorption</strong> von Wärmestrahlung <strong>durch</strong> die Atmosphäre<br />
• Treibhausgase<br />
• <strong>Strahlung</strong>shaushalt der Erde<br />
• Anthropogener Treibhauseffekt<br />
Die aufgeführten Grundlagen im Bereich der Stahlungsphysik sind für ein tieferes<br />
Verständnis des Treibhauseffekts notwendig und entsprechen inhaltlich den in Kapitel<br />
2 beschriebenen theoretischen Grundlagen in reduzierter Form. Das Thema <strong>Absorption</strong><br />
von Wärmestrahlung <strong>durch</strong> <strong>Gase</strong> steht in den meisten Lehrbüchern im direkten Bezug<br />
zum Treibhauseffekt und wird selten molekülphysikalisch behandelt. Damit fehlt meist<br />
eine tiefergehende theoretische Begründung für das unterschiedliche <strong>Absorption</strong>sverhalten<br />
verschiedener <strong>Gase</strong>. Mit der Durchführung des hier vorgestellten Experiments<br />
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