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Anregungen

und

Materialien

Muster und Strukturen

in der Natur entdecken und untersuchen

Inhaltsverzeichnis

1 Intentionen 3

2 Fachliche Grundlagen 3

3 Didaktisch-methodische Anregungen 9

Materialien (Arbeitsblätter) 12

• M 1: Die Vielfalt der Schneeflocken 12

• M 2: Der Mantel aus Turkmenien 13

• M 3: Pythagorasbäume 14

• M 4: Parkettierungen 15

• M 5: Fellzeichnungen 16

• M 6: Fingerabdrücke in der Verbrechensaufklärung 17

• M 7: Lernspiel - Blüten und Blätter 18

• M 8: Herausbildung von Strukturen bei chemischen und physikalischen Prozessen 19

• M 9: Wachstum nichtlebender „Pflanzen“ 20

• M 10: Von der Unordnung zur Ordnung 21

• M 11: Untersuchungen von Wärmeströmungen mithilfe der Schlierenoptik 22

• M 12: Erzeugung von Konvektionszellen 23

• M 13: Untersuchungen von Strömungen mit der Fadenstrahlsonde 24

• M 14: Lawinen - Ursachen und Wirkungen 25

Weiterführende Literatur 28

Bildquellenverzeichnis 29

Impressum:

Autoren: Dr. Hans-Peter Pommeranz

Herausgeber: Landesinstitut für Schulqualität und Lehrerbildung von Sachsen-Anhalt (LISA)

Layout: Dr. Hans-Peter Pommeranz

Druck:

ISSN:

LISA Halle(Saale) 2013 (…) - 1. Auflage

Quelle: Bildungsserver Sachsen-Anhalt (http://www.bildung-lsa.de) | Lizenz: Creative Commons (CC BY-NC-SA 3.0)


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1 Intentionen In der belebten und unbelebten Natur gibt es eine Fülle von Mustern und Strukturen, die durch ihre Vielfalt an Formen und Farben beeindrucken. Leider finden sie im herkömmlichen naturwissenschaftlichen Unterricht bisher kaum Beachtung.

Im Wahlpflichtkurs sollen sie in den Mittelpunkt gestellt werden, um die Schülerinnen und Schüler zum genauen Beobachten dieser Erscheinungen anzuregen. Dies erfordert deren intensive und ausdauernde Betrachtung sowie ein angemessenes Festhalten in Zeichnun-gen, Fotografien oder Texten, ein kriteriengeleitetes Ordnen und Systematisieren. Damit werden wichtige allgemeine naturwissenschaftliche Kompetenzen der Erkenntnisgewinnung gefördert. Zugleich werden beim Entdecken und Vergleichen verschiedener Arten auch emo-tionale Zugänge zur Natur eröffnet und Einstellungen zum Naturschutz entwickelt.

Bei Untersuchungen von sich langsam herausbildenden Strukturen bei chemischen und phy-sikalischen Prozessen können die Schülerinnen und Schüler erfahren, weshalb es zur Aus-bildung solcher Strukturen kommt und wie kleine Einflüsse die Form der Strukturen beein-flussen. Damit können Einsichten über das Verhältnis von Gesetz und Zufall bei natürlichen Prozessen gegründet werden.

2 Fachliche Grundlagen Muster

Sichtbare Oberflächenzeichnungen werden als Muster bezeichnet. Alle Dinge, die für Lebe-wesen bedeutsam sind, weisen Muster auf. Die wahrgenommenen Eigenschaften dieser Muster sind Symmetrien und Wiederholungen, wobei diese exakt oder leicht verändert (ähn-lich) auftreten können.

Abb. 1: strukturlos Abb. 2: Struktur ohne er-kennbares Muster

Abb. 3: Muster mit Wiederholungen (axialsymmetrisch)

Abb. 4: Muster mit Wiederholungen (zentralsymmetrisch)

Kreuzblüten weisen ein Muster auf, das

- durch Drehung um 90° oder

- durch Spiegelung

in sich selbst übergeführt werden kann.

Abb. 5: Kreuzblütengewächs


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Strukturen

Der räumlich geordnete Aufbau der belebten und unbelebten Materie wird in den Naturwis-senschaften als Struktur bezeichnet. Diese Strukturen bilden sich unter bestimmen Bedin-gungen spontan und immer in gleicher oder ähnlicher Weise heraus (Selbstorganisation der Materie). Dabei sind zwei Fälle zu unterscheiden:

• Strukturbildung in der Nähe des thermodynamischen Gleichgewichts

Beispiele: Bildung von Schneeflocke und Salzkristalle beim langsamen Abkühlen

Bei der Herausbildung dieser Strukturen wird die in den jeweiligen Systemen enthal-tene Energie durch Wärmeabgabe an die Umgebung minimal. Die Strukturen bleiben ohne Energiezufuhr stabil. Wird Energie zugeführt, dann lösen sich die Strukturen auf.

• Strukturbildung fernab vom thermodynamischen Gleichgewicht

Lebende Strukturen können nur existieren, wenn sie ständig mit den Nährstoffen Energie aufnehmen, körpereigene Substanzen aufbauen und energiearme Stoffe und entwertete Energie abgeben. Dieser Strukturaufbau folgt genetisch festgelegten Re-geln, kann aber durch äußere Einflüsse (z. B. Licht, Konzentration von Nähr- oder Schadstoffen, Wind, Wasserströmung) variiert werden.

Aber auch in unbelebten Systemen können sich Strukturen herausbilden, die unter bestimmten Bedingungen stabil bleiben. Diese Erscheinung wird als Selbstorganisa-tion bezeichnet.

Beispiele: Bildung von Wirbel, Konvektionszellen oder Solitone

Abb. 6: Schneekristall Abb. 7: Kochsalz-Kristall Abb. 8: Chromalaun-Kristall

Abb. 9: Luftwirbel hinter Flugzeug Abb. 10: Konvektionszel-len auf der Son-nenoberfläche

Abb. 11: Gezeitensoliton auf dem Severn


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Wesentliche Bedingungen für Selbstorganisation eines natürlichen Systems sind

- Entropieexport (Höherwertige Energie wird vom System aufgenommen und minderwertige abgegeben.)

- Energietransformation (Über mehrere Stufen wird im Innern des Systems Energie in hochwertige umgewandelt, z. B. thermische Energie in Strömungs-energie.)

- kritischer Wert (Erst bei Überschreiten eines kritischen Wertes ist der Abstand vom Gleichgewicht so groß, dass sich stabile Strukturen herausbilden.)

- Nichtlinearität und Rückkopplung (Kleine Veränderungen im System verstär-ken sich selbst.)

- Ordnung (Mikroskopische Teilchenbewegungen werden synchronisiert und dadurch makroskopisch wahrnehmbar und wirksam.)

- Stabilität (Diese selbstorganisierten Systeme sind gegen kleine Störungen stabil, größere Störungen führen zur Systemzerstörung).

Konvektionszellen (Bénard-Zellen1)

Die thermische Konvektion ist die Grundlage für viele wichtige und spektakuläre Phänomene auf unserem Planeten. Beispielsweise bestimmen die Zirkulationen der Atmosphäre und der Ozeane zu einem gewissen Teil die kurz- bzw. mittelfristigen Wetterveränderungen. Auch die Kontinentalverschiebung, d. h. die Bewegung der Kontinentalplatten, wird durch weiträumige Strömungen im Erdmantel verursacht. Der Transport von Wärme und Masse innerhalb der Sonne beeinflusst entscheidend ihre Aktivität.

In der täglichen Wetterkarte sind großflächige Konvektionszellen in der Atmosphäre durch die Begriffe Hochdruckgebiet und Tiefdruckgebiet gekennzeichnet. Ein Tief ist durch aufstei-gende Luftmassen gekennzeichnet, was zu tieferem Luftdruck führt. Absinkende Luft erhöht den Luftdruck. In Bodennähe ist aus der Kenntnis der Lage von Hochdruck- und Tiefdruck-gebieten und der Größe der Druckdifferenz eine detaillierte Windvorhersage möglich. Mit dem Wind erleben wir die Bodenströmung einer Konvektionszelle.

Werden diese Vorgänge experimentell, zum Beispiel beim langsamen Erwärmen einer Flüs-sigkeit in einem Topf, untersucht, kann man mehrer Phasen beobachten:

Phase 1: Stabilität

Am Anfang (vor dem Einschalten der Heizplatte) herrscht ein thermisches Gleichgewicht. Die Temperatur ist in allen Gebieten der Flüssigkeit gleich groß. In der Flüssigkeit hat sich ein homogener, stabiler Zustand eingestellt.

Nun wird die Flüssigkeit von unten etwas erwärmt. Die Temperatur der Flüssigkeit in der Nä-he des Topfbodens ist nur etwas größer als die Temperatur der darüber liegenden Schich-ten. Dadurch ändern sich am unteren Gefäßrand mit der Temperatur der Flüssigkeit auch deren Dichte und damit die auf sie wirkende Auftriebskraft. Noch ist aber der Druck der da-rüberliegenden Flüssigkeit größer, so dass die Flüssigkeitsschicht in Ruhe bleibt und die zugeführte Wärme nur durch Leitung übertragen wird.

1 Henri Bénard hat diese Form des Wärmeaustausches um 1900 experimentell untersucht.


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Phase 2: geordnete Instabilitäten - Selbstorganisation - Konvektion

Wird die Temperaturdifferenz am Boden größer und übertrifft die Temperaturdifferenz ein-zelner Schichten einen kritischen Wert, so übertrifft die auftreibend Kraft an einigen Stellen (z. B. am Topfrand) die hemmende Kraft. Die Flüssigkeit setzt sich makroskopisch sichtbar nach oben in Bewegung. Zugleich strömt ein Teil der Flüssigkeit von oben in die freiwerden-den Räume.

Nach kurzer Zeit stellt sich ein relativ stabiles Mus-ter von Zellen ein (Abb. 12). Die Rotationsge-schwindigkeit hat sich kontinuierlich erhöht und schließlich einen konstanten Wert erreicht, bei dem die antreibende Auftriebkraft (die linear mit der Temperaturdifferenz angewachsen ist) genauso groß ist wie die hemmende Reibungskraft innerhalb der Flüssigkeit (die quadratisch zur Geschwindigkeit angewachsen ist). Wenn bei diesem Gleichgewicht die Temperatur konstant gehalten wird, bleibt die Struktur über lange Zeit erhalten.

Phase 3: Turbulenzen - Chaos

Übersteigt die Temperaturdifferenz einen weiteren kritischen Wert verwischt die Zellenstruktur. Es ent-stehen Turbulenzen als eine Ausdrucksform chaoti-schen Verhaltens des Systems Flüssigkeit.

Wirbel in einer Strömung

Strömt eine Flüssigkeit oder ein Gas im Kreis, so wird dies als Wirbel bezeichnet. Diese bilden sich immer dann, wenn sich innerhalb der Flüssigkeit oder des Gases (allg.: Fluid) Gebiete mit ausreichend großer Geschwindigkeitsdifferenz bewegen. Das ist z. B. der Fall, wenn

- Wasser aus einem Becken abfließt,

- ein Fluid einen Körper umströmt oder Körper sich in diesem Fluid bewegen (Die Reibung an der Körperoberfläche verringert dort die Ge-schwindigkeit.),

- sich weiträumige Luftströmungen auf der Erd-oberfläche bewegen (Abbildung 13).

Die kinetische Energie des strömenden Fluids wird dabei in den Wirbeln in Wärme umge-wandelt.

Wirbel können über längere Zeit an einer Stelle verharren (stationäre Wirbel) oder sich periodisch ablösen. Das dabei entste-hende Bild nennt man Kármán’sche Wirbel-straße2 (Abbildung 14).

2 Die Wirbelstraßen wurden von Theodore von Kármán (ungarischer Physiker und Luftfahrttechni-

ker) erstmals 1911 nachgewiesen und berechnet.

Abb. 12: Bernard-Zellen

Abb. 13: Tiefdruckgebiet an der Südwestküste von Island

Abb. 14: Karman’sche Wirbelstraße


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Corioliskraft

Bewegt sich ein Körper in einem sich drehenden System in eine Richtung (z. B. Wind oder Wasser auf der Erdoberfläche), so wird vom mitbewegten Beobachter eine Richtungsände-rung wahrgenommen (vgl. Abbildung 15). Diese (scheinbare) Richtungsveränderung wird auf das Wirken einer Kraft, der Corioliskraft3 zurückgeführt. Für den ruhenden Beobachter ist diese Richtungsänderung nicht wahrnehmbar, wie man sich leicht durch ein Experiment überzeugen kann.

In der Meteorologie und der physikalischen Ozeanographie spielt die Corioliskraft eine wich-tige Rolle. Aufgrund der Erdrotation bewegen sich die Luft- und Wassermassen in einem rotierenden Bezugssystem. Dies bewirkt auf der Nordhalbkugel eine Ablenkung nach rechts, was die Drehrichtung von Hoch- und Tiefdruckgebieten bestimmt.

Emergenz

Die spontane (oft nicht vorhersagbare) Herausbildung von neuen Strukturen oder Eigenschaften eines Systems nennt man Emergenz (vom lateinischen emergere für „das Auftau-chen“, „das Herauskommen“ oder „das Emporsteigen“). Die-se neuen Strukturen kommen durch das Zusammenwirken sehr vieler Systemelemente unter bestimmten Bedingungen zustande und lassen sich nicht aus den Eigenschaften dieser einzelnen Elemente ableiten. Beispiele für Emergenz sind

- die Ausbildung von Rippeln auf Sandflächen unter Wasser oder an Land (Abbildung 16),

- die Ausbildung von Schnee- oder Gerölllawinen,

- das Gefrieren von Wasser zu Eis,

- der Magnetismus.

Selbstähnlichkeit

Wenn Ausschnitte von Objekten dem Objekt selbst ähnlich sind, dann bezeichnet man das als Selbstähnlichkeit. Bei-spiele für solche Objekte sind

- Farnblätter (Abbildung 17),

- Blutgefäße,

- Blumenkohl,

- Spalten/Täler in Gebirgen, Abb. 17: Selbstähnlichkeit beim

3 Benannt ist sie nach Gaspard Gustave de Coriolis, der sie 1835 erstmals mathematisch herleitete.

ursprüngliche Bewegungsrichtung

veränderte Bewegungsrichtung

Drehrichtung

Abb. 15.: Durch die Corioliskraft scheinbar hervorgerufene Bewe-gungsänderung

Abb. 16: Sandrippel in der Wüste Morocco (Afrika)


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- Kristalle. Farnblatt

Reibungswinkel (Schüttwinkel)

Wird ein körniges Material aufgeschüttet, dann bildet sich ein charakteristischer Winkel her-aus (Abbildung 18).

Dieser Winkel (Schüttwinkel oder Reibungs-winkel genannt) entsteht durch das Verhältnis der Hangabtriebskraft und der Reibungskraft der einzelnen Körper miteinander.

Wenn m die Masse des Körpers und g die Erdbeschleunigung ist, dann gilt für die Hangab-triebskraft α⋅⋅= singmFh und für die Reibungskraft α⋅⋅⋅µ= cosgmFr .

Aus beiden folgt: µ=αtan .

Eine Böschung ist also dann stabil, wenn für den Böschungswinkel gilt: µ<αtan , wobei µ der Reibungskoeffizient ist.

Er und damit der Winkel α sind abhängig von

• der Rauheit des Materials (Je rauer, desto größer ist der Winkel.)

• der unterschiedlichen Körnung (Je mehr verschiedene Korngrößen vorhanden sind, umso größer ist der Winkel).

• der Verdichtung (Je mehr die Schüttung verdichtet wird, umso größer ist der Winkel).

• dem Feuchtigkeitsgehalt (Der Winkel wächst mit Zunahme der Kohäsion zwischen den Körnern.)

Abb. 18: Ausbildung eines Böschungswinkels von 32° bei der Aufschüttung von grobem Sand

Fr

Fh

α

Abb. 18: Kräfte am Hang


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3 Didaktisch-methodische Anregungen Gestaltung der Unterrichtssequenz

Abb. 19: Mögliche Schwerpunktsetzungen im Unterricht

Varianten:

Der Block „Muster der Natur“ kann in Klassen mit Schülerinnen und Schülern, die sich für die mathematische Untersuchung von Strukturen interessieren, mit dem Block „Bienenwaben“ ergänzt werden.

Von den Blöcken „Wirbel“, „Konvektionszellen“ und „Lawinen“ könnte nur einer ausführlich und die anderen beiden informativ behandelt werden.

Bienenwaben

Wirbel Lawinen

Muster erkennen

Muster in der Natur

Herausbildung von Strukturen

Konvektionszellen

Systematisierung der

Erkenntnisse


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Phase Schwerpunkte didaktisch-methodische Gestaltung Materialien

Einführung in den KSP als Lehrervortrag Einzelarbeit oder Gruppenarbeit: Analyse von Abbildungen Vergleich und Diskussion der Arbeitsergebnis-se

Material 1: Die Vielfalt der Schneeflocken Material 2: Mantel aus Turkmenien

Einzelarbeit: Konstruktion von Figuren Vergleich der Ergebnisse

Material 3: Pythagorasbäume Einsatz eines Java-Applet, z. B. unter: http://www.ies.co.jp/math/java/geo/ pytree/pytree.html

1 (4 h)

Erkennen und Beschreiben von Mustern auf Abbildungen oder im Original - Beispiele: Tapeten, Stoffe,

Ornamente in der Architektur - Eigenschaften: Symmetrie,

Periodizität, geometrische Fi-guren

- Erzeugung von Mustern nach Algorithmen

- Parkettierungen Gruppenarbeit mit verschiedenen Vorgaben Material 4: Parkettierungen

Erkundung in der freien Natur - Anfertigen von Skizzen der Muster - fotografische Aufnahme und anschließende

Auswertung - Erstellung von Postern über Strukturen der

Natur (z. B. verschiedene Objekte im Ver-gleich)

Material 5: Fellzeichnungen

Gruppenarbeit zum Erkennen von Fingerab-drücken - Internetrecherche - Anwendung von Verfahren zur Abnahme - Gestaltung eines Posters

Material 6: Fingerabdrücke in der Verbre-chensaufklärung

2 (12 h)

Entdecken und Beschreiben von Mustern in der Natur - Beispiele: Blätter, Fellzeich-

nungen, Minerale - Eigenschaften: Symmetrie,

Periodizität

Gruppenarbeit zur Erarbeitung und Fertigung eines Lernspiels

Material 7: Lernspiel

3 (2 h)

Erzeugung von Strukturen bei chemischen und physikalischen Prozessen beobachten und be-schreiben - Beispiele: Sandmuster, Para-

nusseffekt, Bildung von Salz-kristallen

Lehrervortrag zur Einführung und als Überblick Demonstrations- und Gruppenexperimente - genaues Beobachten und Beschreiben der

Herausbildung der Strukturen über einen längeren Zeitraum (eventuelle Dokumenta-tion durch Fotos)

- Variation einzelner Parameter

Material 8: Herausbildung von Strukturen bei chemischen und physikalichen Pro-zessen

Material 9: Wachstum nichtlebender „Pflanzen“ Filme: http://www.rapp-instruments.de/foto/ Kurzzeit/timelapse/timelapse.htm Material 10: Paranusseffekt


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Phase Schwerpunkte didaktisch-methodische Gestaltung Materialien

4a

(4 h)

Entdeckung und Beschreibung von Konvektionszellen sowie Erklären ihrer Entstehung

- Beispiele: Bernard-Zellen, Kon-vektionszellen in der Erdatmo-sphäre, im Ozean und unter der Lithosphäre

- Übergang Ordnung - Chaos - Methode: Schlierenoptik

Gruppenarbeit zur Durchführung und Auswertung der Experimente Sokratische Methode zum Erkennen der Ursachen der Entstehung von geordneten Konvektionszellen Schülervorträge zu ausgewählten Beispielen (z. B. Golfstrom)

SE: Erzeugung von Bernard-Zellen (vgl. S. 5)

4b

(4 h)

Entstehung von Wirbeln beschreiben und Ursachen angeben - Beispiele: Wirbelstürme, Abfluss-

wirbel, Wirbel an Fahrzeugkanten, Wirbel hinter Windkraftanlagen

- Übergang Ordnung - Chaos - Methode: Nutzung der Fadenson-

de

Gruppenarbeit zur Durchführung und Auswertung der Experimente Sokratische Methode zum Erkennen des Übergangs von der laminaren zur turbulenten Strömung Schülervorträge zu ausgewählten Beispielen (z. B. historische Entwicklung im Fahrzeugbau, Entstehung und Wirkungen von Wirbelstürmen)

Material 11: Untersuchungen von Wärmeströmungen mithil-fe der Schlierenoptik

Material 12: Untersuchungen von Strömungen mit der Fa-denstrahlsonde

4c (4 h)

Entstehung von Lawinen beschreiben und Ursachen angeben

- Beispiele: Schneelawinen, Geröll-lawinen, Böschungsrutsch

- Grenzen der Vorhersagbarkeit - Ursachen und Wirkungen

Gruppenarbeit zur Durchführung und Auswertung der Experimente

Sokratische Methode zum Erkennen der Ursachen der spontanen oder induzierten Entstehung Lawinen Schülervorträge zu ausgewählten Beispielen (z. B. Erdrutsche in Sachsen-Anhalt)

Video: Abgang eines Murganges http://www.youtube.com/watch?feature=player_detailpage&v=C1-Hpw8bo0k Material 13: Lawinen - Ursachen und

Wirkungen

5

(4 h)

Einzelerkenntnisse einordnen, zuein-ander in Beziehung setzen und in neuen Kontexten anwenden

Erarbeitung von Übersichten (z. B. Mindmap, Lernta-fel) in Gruppenarbeit, Vorstellung und Diskussion Erarbeitung und Erstellung eines Quiz in Gruppenar-beit, Erprobung und Bewertung durch andere Gruppen


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M 1

Die Vielfalt der Schneeflocken

Wilson Bentley, einem amerikanischer Farmer, gelang es 1885 als einem der ersten Men-schen, Schneekristalle unter dem Mikroskop zu fotografieren. Insgesamt fotografierte er mehr als 5 000 Schneekristalle. In einer Veröffentlichung von 1922 stellte Bentley die These auf, dass jeder Schneekristall unterschiedlich geformt sei (no two snowflakes are alike). Eini-ge seiner Aufnahmen sind in der Abbildung wiedergegeben.

a) Beschreibe den prinzipiellen Aufbau von Schneeflocken. Gehe dabei auch auf Sym-metrien ein. Berücksichtige Gemeinsamkeiten und Unterschiede der abgebildeten Flo-cken.

b) Stelle Vermutungen darüber auf, woran es liegen könnte, dass sich unterschiedliche Flockenformen bilden.

1 2

1 1

3

4 5 6

12 10

7 9

11

8


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M 2

Der Mantel aus Turkmenien

a) Finde auf dem abgebildeten Mantel verschiedene Muster und beschreibe diese.

b) Vergleiche die linke und die rechte Mantelhälfte. Finde mindestens fünf Musterstörun-gen (Abweichungen von der Symmetrie).


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M 3

Pythagorasbäume

Geometrische Figuren, die in ihrem Muster an Pflanzen erinnern, las-sen sich durch ganz einfache Vorschriften erzeugen.

Ein Beispiel sind Pythagorasbäume, die ihre Bezeichnung nach der Planfigur für den Satz des Pythagoras haben.

a) Zeichne unter Verwendung folgender Schrittfolge einen solchen Baum.

(1) Zeichne ein Quadrat mit der Sei-tenlänge von 5 Zentimeter an die untere Blattkante eines wei-ßen A4 Blattes.

(2) Zeichne (z. B. mit dem Geodrei-eck) über die obere Seite ein rechtwinkliges Dreieck so, dass der rechte Winkel dem Quadrat gegenüber liegt.

(3) Zeichne an die freien Seiten des Dreiecks jeweils ein Quadrat.

(4) Wiederhole die Schritte (2) und (3) entsprechend der Abbildung noch mindestens drei Mal für al-le entstehenden neuen Quadra-te.

b) Vergleiche deinen Baum mit denen deiner Mitschüler. Was stellst du fest? Versuche dafür eine Begründung zu finden.

c) Sucht in der Natur, ob sich Beispiele für die bei Aufgabe b gefundene Erkenntnis fin-den lassen.


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M 4

Parkettierungen

Fußböden oder Gehwege werden oft mit gleich geformten Materialstücken ausgelegt.

a) Zeichne folgende Figur auf Pappe und schneide sie als Zeichenschablone aus.

b) Lege damit zwei Flächen so aus, dass unterschiedliche Muster entstehen.

c) Untersuche, mit welchen der folgenden regelmäßigen n-Ecken eine Fläche ohne Lü-cken ausgelegt werden kann:

Begründe dein Ergebnis mathematisch.

d) Beschreibe die bei der Aufgabe c entstandenen Muster.


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M 5

Fellzeichnungen

Auch wenn es den Eindruck macht, dass alle Zebras gleich aussehen, Zebras unterscheiden sich in ihrer Fellzeichnung.

Vergleiche die Abbildungen der beiden Zebras genau.

Finde, markiere und beschreibe drei deutliche Unterschiede in der Fellzeichnung.


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M 6

Fingerabdrücke in der Verbrechensaufklärung

Bearbeitet in eurer Gruppe folgende Aufträge:

1 Recherchiert im Internet eine Methode zur Erfassung der Finge-rabdrücke von Personen und auf Gegenständen.

Erprobt diese Methode. Stellt die dazu notwendigen Hilfsmittel her.

Erarbeitet dazu eine Handlungsvorschrift.

Beschreibt, woran man Fingerabdrücke einzelner Personen unter-scheiden kann.

2 Die Zuverlässigkeit eurer Methode soll nun getestet werden.

Präpariert ein Glas oder einen Spiegel mit einem Fingerabdruck von einem Mitglied eurer Gruppe. Tauscht diesen Gegenstand mit einer zweiten Gruppe aus.

Nehmt jetzt die Fingerabdrücke aller Mitglieder der zweiten Gruppe auf.

Ermittelt, zu welcher Person der übergebene Fingerabdruck passt.

3 Recherchiert im Internet, wie zuverlässig die „Fingerabdruckmethode“ bei der Täterfin-dung ist und welche anderen Methoden heute benutzt werden, um den Täter zu identi-fizieren (Stichwort: genetischer Fingerabdruck).

4 Stellt die Ergebnisse eurer Arbeit mithilfe eines Posters vor.


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M 7

Lernspiel: Blüten und Blätter

Ihr habt die Aufgabe, ein Lernspiel zu entwickeln und herzustellen.

Mit diesem Lernspiel sollen sich eure Mitschüler das Aussehen (die Muster) von Blüten und Blätter einheimischer Bäume und Sträucher einprägen und sie benennen können.

Der Vorschlag für dieses Lernspiel ist ein Domino.

□ Spielt einmal in euere Gruppe ein „normales Domino“ und beantwortet folgende Fra-gen:

- Was ist das Typische an den Domino-Steinen?

- Nach welchen Regeln wird das Spiel gespielt?

□ Das Lernspiel besteht aus 20 Domino-Steinen. Auf einer Hälfte eines jeden Steines ist ein Bild und auf der anderen Hälfte ein Name.

□ Dabei könnt ihr folgendermaßen vorgehen:

- Überlegt euch, welche Blüten und Blätter ihr für dieses Spiel auswählen möchtet.

- Fotografiert im Garten oder bei Spaziergängen diese Blüten und Blätter. Viele Aufnahmen findet ihr auch im Internet. Beachtet aber die Urheberrechte.

- Bearbeitet am Computer die Bilder und stellt eure Spielsteine zusammen. Denkt daran, dass ein Dominostein aus zwei Quadraten besteht.

- Macht einen Probedruck. Schneidet die Spielsteine aus und erprobt das Spiel.

- Wenn alle Steine in Ordnung sind, macht einen Feindruck (z. B. auf Fotopapier).

- Schneidet die Spielsteine aus und laminiert sie.

- Erarbeitet für euer Spiel eine Spielanleitung. Schreibt und gestaltet diese am Computer.

- Gestaltet und fertigt für euer Spiel eine Verpackung (z. B. ein kleiner beklebter Karton).

□ Tauscht mit einer anderen Gruppe das Spiel, spielt und bewertet es.

Holunderblatt Pflaumenblüte


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M 8

Herausbildung von Strukturen bei chemischen und physikalischen Prozessen

Vorbemerkung

Die Herausbildung von Strukturen in der Natur erfolgt in der Regel sehr langsam (geologi-sche Prozesse) oder sehr schnell (chemische Prozesse). In beiden Fällen ist deshalb nur das Ergebnis, nicht aber der Prozess beobachtbar.

Bei chemischen Reaktionen in wässrigen Lösungen, die nicht geschüttelt werden, wird die-ser Prozess so langsam, dass er gut beobachtet werden kann.

Experiment 1

Auftrag: Untersucht, wie sich ein Stoff in Wasser auflöst.

Aufbau und Durchführung:

- Stellt ein kleines Becherglas in ein großes.

- Füllt beide Gläser wie abgebildet mit Wasser.

- Legt auf das kleinere Becherglas ein Uhrglasschälchen so, dass es vollständig im Wasser liegt.

- Legt auf das Schälchen ein Stück Würfelzucker.

Auswertung:

Beobachtet den Auflösungsprozess genau.

Hinweis:

Das Phänomen wird deutlicher sichtbar, wenn ein weißes Blatt Papier als Hintergrund aufge-stellt wird.

Beschreibt eure Beobachtung.

Experiment 2

(Achtung: Blei(II)-nitrat ist giftig! Das Experiment muss von der Lehrkraft vorbereitet und dann mit einer Glasabdeckung bereitgestellt werden.)

Auftrag: Untersucht, wie sich ein neuer Stoff bildet und welche Veränderungen darauf Ein-fluss haben.

Aufbau und Durchführung:

- Stellt eine Petrischale waagerecht auf.

- Füllt so viel Wasser hinein, dass es ca. 3 mm hoch steht.

- Gebt an den einen Rand der Schale et-was Bleinitrat.

- Gebt einige Minuten später an den gegenüber liegenden Rand etwas Kaliumjodid.

- Wiederholt den Versuch. Gebt aber jetzt beide Substanzen gleichzeitig ein.

Auswertung:

Haltet die Veränderungen in einer Bildfolge (pro Minute ein Bild) fest. Beschreibt die Heraus-bildung der Struktur mithilfe dieser Bilder.

Becherglas mit Wasser

Becherglas mit Wasser

Würfelzucker

Uhrglasschälchen

Petrischale mit Wasser Blei(II)-nitrat Kaliumjodid


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M 9

Wachstum nichtlebender „Pflanzen“

Vorbemerkung

Pflanzen wachsen so langsam, dass dieses Wachstum trotz genauer Beobachtung über ei-nige Stunden nicht wahrgenommen werden kann. Bei Bäumen dauert es oft Jahre, ehe man größere Unterschiede feststellt. In der nicht belebten Natur sind Wachstumsprozesse oft auch über längere Zeiträume oft nicht wahrnehmbar. Im folgenden Experiment soll aber ge-nau das sichtbar gemacht werden.

Experiment

Auftrag: Dokumentiert die Bildung von Silicatvegetationen.

Materialien:

- Wasserglas

- verschiedene Salze, z. B.

· Mangan(II)-chlorid

· Eisen(II)-sulfat

· Eisen(III)-chlorid

· Silbernitrat

- große Bechergläser oder Schraubgläser

Durchführung:

- Ein Becherglas wird mit Wasserglas (1 : 5 mit Wasser verdünnt) gefüllt; das zweite mit einer entsprechenden Lösung 1 : 10.

- Jetzt werden vorsichtig in beide Gläser einzelne Salzkristalle nacheinander fallen ge-lassen und mit einem Glasstab gleichmäßig auf dem Boden verteilt.

Hinweis:

Vereinbart mit den anderen Gruppen, welche Salze die einzelnen Gruppen verwenden.

- Die Gläser werden zugedeckt und ruhig stehen gelassen.

Auswertung:

Dokumentiert die Herausbildung der „Pflanzenstrukturen“, indem ihr nach bestimmten Zeit-abständen jeweils ein Foto macht. Diese gelingen besonders gut, wenn die Gläser seitlich angeleuchtet werden und sie vor einem dunklen Hintergrund stehen.

Vergleicht eure „Pflanzen“ mit den „Pflanzen“ der anderen Gruppen.


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M 10

Von der Unordnung zur Ordnung

Vorbemerkung

Wenn unbelebte Objekte sich selbst überlassen werden, dann geht die anfängliche Ordnung in Unordnung über. Beispiele dafür sind der zusammen gekehrte Haufen von Blättern, die sich im Raum ausbreitenden Parfümteilchen oder der Wärmeausgleich zwischen zwei Kör-pern unterschiedlicher Temperatur.

Es gibt aber auch Vorgänge, da geht es in die umgekehrte Richtung: Von der Unordnung zur Ordnung. Ein Beispiel ist Müsli. Wie durch ein Wunder sind die Nüsse und Rosinen immer oben und die vielen kleinen Krümel unten. Diese Erscheinung wird Paranusseffekt genannt.

Experiment

Auftrag:

Erzeugt im Experiment den Paranusseffekt.

Untersucht auch, ob dieser Effekt durch folgende Größen beeinflusst wird:

- Größe der kleinen Körper

- Größe des großen Körpers

- Form des großen Körpers

- Dichte des großen Körpers

- Frequenz des Schüttelns

- Amplitude des Schüttelns

Stellt für jeden Fall eine Vermutung auf und ent-wickelt jeweils ein Experiment. Überlegt genau, welche Bedingung konstant gehalten werden müssen.

Durchführung:

- Legt auf den Boden eines Schraubglases einen größeren Körper, der zur besseren Sichtbarkeit eine andere Farbe als die kleinen Körper haben sollte (vgl. Abb.).

- Schüttet nun so viele kleine Körper in das Glas, dass es ca. zu drei Viertel gefüllt ist. Schraubt es zu.

- Schüttelt das Glas so lange, bis der große Körper oben sichtbar wird. Stoppt die Zeit.

Auswertung:

- Stellt die Ergebnisse eurer Untersuchung übersichtlich dar.

- Erklärt das Zustandekommen des Paranusseffektes.

Hinweis: Nutzt dazu den Gedanken, dass beim Hochspringen der Körper unter ihnen Lücken entstehen.


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M 11

Untersuchungen von Wärmeströmungen mithilfe der Schlierenoptik

Wärmeströmungen in Luft oder im Wasser sind aufgrund der Durchsichtigkeit dieser Stoffe kaum oder gar nicht sichtbar. Mit der bei diesem Experiment eingesetzten Methode werden diese Strömungen sichtbar gemacht.

Vorbetrachtungen

a) Erläutere mit einer Skizze, wie sich die Ausbrei-tung eines Lichtstrahls ändert, wenn er von Luft in Glas bzw. von Glas in Luft übergeht.

b) Skizziere den weiteren Verlauf des Lichtstrahls in der Abbildung bis zum Schirm.

Beschreibe, was man auf dem Schirm beobach-ten kann.

Durchführung

- Baue das Experiment entsprechend der Abbil-dung in einer abgedunkelten Stelle des Rau-mes auf.

- Verändere die Abstände Taschenlampe - Kerze und Kerze - Schirm solange, bis du die auf-strömende Luft deutlich siehst.

- Beobachte den Luftstrom bis etwa 25 cm über der Flamme genau.

Auswertung

Beschreibe deine Beobachtungen mithilfe einer beschrifteten Skizze. Gehe auch auf lamina-re (gleichmäßige) und turbulente Abschnitte der Strömung ein.

Begründe, warum es zu dieser Erscheinung kommt.

optische Leuchte (Taschenlampe) Kerze

Schirm

Wasser

Luft

Schirm

Lichtstrahl


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M 12

Erzeugung von Konvektionszellen

Wird eine Flüssigkeit langsam erwärmt, so kann man bei einem geschickten Vorgehen das Entstehen von Strukturen beobachten.

Vorbetrachtung

1 Ordne folgende Vorgänge nach der Art der Wärmeübertragung. Nutze dazu die Tabel-le.

Lagerfeuer, Heizung, Wasserkocher, Backofen, Sonne, Kaffeelöffel, Bratpfanne, Rot-lichtlampe, Heizkissen, Motorkühlung

Wärmeleitung Wärmeströmung Wärmestrahlung

2 Im Winter wurde in zwei Zimmern die Temperatur an verschiedenen Stellen gemessen. Das Zimmer 1 wird mit einem alten, gemütlichen Kachelofen geheizt; das Zimmer 2 mit einem modernen Flachheizkörper:

Messstelle 1 2 3 4

Zimmer 1 16 °C 70 °C 20 °C 35 °C

Zimmer 2 30 °C 20 °C 23 °C 40 °C

Trage die Nummern in die

Ergänze in den Skizzen die Bewegung der Luft in den Zimmern. Erkläre das Zustande-kommen der Bewegung.

Zimmer 1 Zimmer 2


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Durchführung

Materialien:

– Heizplatte (SEG)

– Petrischale

– Motorenöl (synthetisch)

– Kontrastmittel (Aluminiumbron-ze/Scheuersand)

(1) Vermische einige Tropfen „Silberbronze“ mit Öl mischen und verrühre das Gemisch gut.

(2) Erzeuge mit der Mischung in der Petrischale eine ca. 3 mm dicke Schicht.

(3) Stelle die Petrischale auf die noch kalte Heizplatte

(4) Beobachte nach dem Einschalten wird die Oberfläche der Flüssigkeit und fotografiere markante Zustände.

Auswertung

1 Beschreibe die Veränderungen in der Flüssigkeit in einem kurzen Text. Beziehe in die-sen Text auch deine Fotos und folgende Begriffe ein: Dichte, Erwärmung, Muster, Wär-meströmung, Temperatur.

2 Erkunde mithilfe des Internets, wo das untersuchte Phänomen in der Natur auftritt. Gib dazu als Suchbegriff „Strömungszelle“ ein.

Geräte und Materialien zur Erzeugung von Konvektionszellen


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M 13

Untersuchungen von Strömungen mit der Fadenstrahlsonde

Durch Autos, Flugzeuge oder Windkraftwerke wird die Luft stark verwirbelt. Da diese Verwir-belungen Energieverluste hervorrufen, sind sie unerwünscht. Durch konstruktive Maßnah-men können sie verringert werden. Dazu müssen die Luftströmungen um und hinter Körpern erforscht werden. Mit der Fadenstrahlsonde ist das möglich.

Vorarbeiten

• Bau von Fadensonden

• Bau von Probekörpern

Um Umströmung z. B. verschieden gebauter Fahrzeuge zu untersuchen, können ver-einfachte Körper mit typischen Formen verwendet werden. Diese Körper können aus Pappe oder Plaste (Polysterol) gefertigt werden:

Durchführung

- Haltet einen Probekörper in den Luftstrom eines Föns.

- Haltet die Fadensonde an verschiedene Stellen in der Nähe des Körpers. Skizziert je-weils die Form des Fadens.

Auswertung

Beschreibt mithilfe einer Skizze, wie die einzelnen Probekörper umströmt werden.

Erläutert an einem Beispiel, wie eure Erkenntnisse beim Bau von Autos berücksichtigt wer-den.

Holzstab

Draht

Wollfaden


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M 14

Lawinen - Ursachen und Wirkungen

Lawinen treten immer unerwartet ein und haben meist eine große zerstörerische Wirkung. Meist sind auch Menschenleben zu beklagen.

Ihr sollt den Ursachen dieser unheimli-chen Naturphänomene auf die Spur kommen.

Fertigt ein Lernplakat an.

Bearbeitet dazu in eurer Gruppe folgende Aufträge:

1 Lest den Text 1 „Entstehung von Schneelawinen“ und beantwortet folgende Fragen. Fertigt dazu auch beschriftete Skizzen an.

- Welche zwei Schneelawinenarten gibt es?

- Unter welchen Bedingungen entsteht die eine, unter welchen die andere Art?

- Erläutere, warum können Lawinen nicht genau vorausgesagt werden?

2 Führt eine Internetrecherche zum vorbeugenden Schutz vor Schneelawinen durch.

3 Untersucht, was die Stabilität von Sandbergen beeinflusst.

- Stellt dazu mindestens drei Vermutungen auf.

- Überlegt, wie ihr jede eurer Vermutungen experimentell prüfen könnt.

- Führt diese Experimente durch und wertet sie bzgl. des Auftrags aus.

- Stellt euer Vorgehen und eure Ergebnisse in einem Poster dar.

- Hinweis: Stellt aus trockener, sandiger Erde Stoffe unterschiedlicher Körnung durch Sieben her.

4 Lest den Text 2 „ Murgänge“ und beantwortet folgende Fragen. Fertigt dazu auch be-schriftete Skizzen an.

- Was versteht man unter einem Murgang? Wie breitet er sich aus?

- Welche Geschwindigkeit erreicht er?

- Durch welche Ereignisse kann ein Murgang ausgelöst werden?

- Durch welche Maßnahmen können die Auswirkungen verringert werden?

- Wie kann ermittelt werden, vor wie vielen Jahren der Murgang stattfand?


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Text 1: Entstehung von Schneelawinen

Lawinen sind eine große Naturgefahr in den schneebedeckten Gebirgen der Welt – so auch im dicht besiedelten Alpenraum. Die Entstehung von Lawinen hängt wesentlich von den Ei-genschaften der Schneedecke ab. Die komplexe Mikrostruktur des Schnees und die räumli-chen Variationen der Schichteigenschaften setzt dabei der Vorhersagbarkeit von Lawinen Grenzen.

Lawinen bedrohen Verkehrsverbindungen und Siedlungen, aber auch Touristen im winterli-chen Gebirge. Im langjährigen Durchschnitt kommt es jährlich zu rund 110 Lawinenopfern im europäischen Alpenraum. Große Anstrengungen beim Lawinenschutz haben dazu geführt, dass verheerende Lawinenniedergänge, die Opfer auf Verkehrswegen oder in Siedlungen fordern, glücklicherweise nur noch relativ selten vorkommen. Die meisten Lawinenopfer sind heute Schneesportler, die „ihre“ Lawine oft selbst ausgelöst haben.

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Lawinen:

Lockerschneelawinen

Diese gehen von einem Punkt aus und sind meist harm-los. Diese Erscheinung tritt auch beim Aufschütten von Sand oder anderem körnigen Material auf. Einige wenige Körper kommen ins Rutschen und eine ganze „Lawine“ wird dadurch ausgelöst. Auch an steilen Hängen können z. B. durch Regen Gerölllawinen, sogenannte Muren, ausgelöst werden.

Schneebrettlawinen

Bei diesen kommt eine ganze Schneetafel gleichzeitig ins Rutschen. Dadurch werden sie groß und gefährlich. Schneebrettlawinen entstehen auf Hängen, die steiler als rund 30 Grad geneigt sind. Die Schneedecke ist als Folge von verschiedenen Niederschlagsereignissen geschichtet. In Schönwetterperioden beeinflusst das Wetter die Schneeoberfläche. Es kann sich Oberflächenreif bilden, oder die Schneeoberfläche kann sich anderweitig so ungünstig umwandeln, dass die durch den nächsten Schneefall abgelagerte Schicht keinen genügen-den Halt findet. Diese Situation ist häufiger in sehr steilen Schattenhängen anzutreffen. Glei-tet diese Schneeschicht – das Schneebrett – von selbst ab, spricht man von einer spontanen Auslösung. Kann sich zum Beispiel während eines starken Schneefalls der Schnee nicht genügend verfestigen und mit der darunter liegenden Schneeschicht verbinden, so kann es zum Bruch innerhalb der Schneedecke kommen. Innerhalb weniger Sekunden können sich große Hangteile ablösen und nach dem Bruch am oberen Rand abgleiten. Die Schneetafel zerbricht und donnert mit schnell zunehmender Geschwindigkeit zu Tale. solche Schnee-brettlawinen erreichen Geschwindigkeiten von 50-100 km/h. In sehr steilem Gelände kann sich aus einer trockenen Schneebrettlawine während des Absturzes eine Staublawine entwi-ckeln, die 200-300 km/h schnell werden kann.

Auch wenn die Schwachschicht unter dem Schneebrett das Gewicht der darüberliegenden Schichten zu tragen vermag, so kann sie immer noch über längere Zeit nach dem Schneefall schwach genug sein, dass ein Schneesportler lokal einen Bruch erzeugen kann, der dann zum Abgleiten der ganzen Schneetafel und damit oft zur Verschüttung des Schneesportlers führt. In diesem Fall spricht man von einer künstlichen Auslösung, die auch gewollt durch den Einsatz von Sprengstoff zur Sicherung von Skigebieten eingesetzt wird.

Aufgrund der Topographie und der Wechselwirkung von Gelände und Wetter (Niederschlag, Sonnenstrahlung, Wind) können die Eigenschaften der Schneedecke räumlich und zeitlich stark variieren. Es ist daher bis heute nicht möglich, den genauen Ort und Zeitpunkt eines Lawinenniederganges zu prognostizieren. Allerdings ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit eines Abganges abzuschätzen. Darauf beruht die Lawinenwarnung.

Quelle: http://www.slf.ch/forschung_entwicklung/lawinen/entstehung/index_DE, 22.01.2013


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Text 2: Murgänge

Ein Murgang (auch Mure oder Rüfe genannt) ist ein schnell talwärts fließender Strom aus Schlamm und gröberem Gesteinsmaterial im Gebirge. Murgänge haben einen hohen Fest-stoffgehalt und dadurch bedingt eine hohe Dichte (bis 2,6 g/cm3). Ein Murgang kann einige hunderttausend Kubikmeter Material transportieren. Durch seine Energie kann er große Ver-wüstungen anrichten. Die meist klar ausgeprägte Front kann eine Geschwindigkeit von bis zu 60 km/h erreichen.

Entstehung und Ablauf

Ein Murgang entsteht im Gebirge, wenn im steilen Gelände we-nig verfestigtes Material (Geröll, Schutt und Erdmaterial) zu nass wird und allein in Bewegung gerät. Ausgelöst das durch starke oder lang anhaltende Niederschläge oder eine schnelle Schneeschmelze. Murgänge folgen meist bestehenden Bach-betten oder Rinnen und erweitern sie stark, sie können aber auch eine neue Rinne graben. Große Steine konzentrieren sich an der Murenfront, die Material bis hin zu metergroßen Felsblö-cken und Baumstämmen mitreißen kann. Schon entlang des Fließweges wird einiges von dem transportierten Material in Randwällen wieder abgelagert. Die Bewegung endet meist am Hangfuß, wo das Gefälle nachlässt.

Gefahrenpotenzial

Ein Murgang hat deutlich mehr Energie als ein Hochwasser und richtet erheblich höheren Schaden an. Ein mit voller Wucht auftreffender Murgang kann Häuser, Verkehrswege und Brücken zerstören. Oft werden die Straßen und die Erdgeschosse von Häusern meterhoch mit dem Schlamm-Geröllgemisch verschüttet. Dies geschieht unter anderem, wenn Bachläu-fe in Ortschaften zu eng kanalisiert sind und der Murgang dort über die Ufer tritt. Wegen der oft langen Zeiträume zwischen einzelnen Murgängen ist sich die Bevölkerung dieser Gefahr oft nicht bewusst.

Zur Vorbeugung gegen Murgänge und Murgangschäden gehören:

• bauliche Schutzmaßnahmen wie Geröllsperren, Rückhaltedämme oder Ablenkbau-werke

• verbreitern kanalisierter Bäche und Vermeidung von Engpässen (besonders bei Brü-cken), damit der Murgang nicht über die „Kanalufer“ tritt

• Säuberung der Gebirgsbäche von losem Material (Bäume, Äste und Geröll), das ei-nen Murgang auslösen oder nähren kann

Wegen der Klimaerwärmung wird für die nächsten Jahrzehnte mit einer Zunahme von Mur-gängen gerechnet. Wenn hochalpine Permafrostböden und Blockgletscher auftauen, ent-steht mehr mobilisierbares Material, das dann als Mure abgehen kann.

Datierung von Ereignissen

Bleiben die Ablagerungen von Murgängen als Murzungen und Murkegel erhalten, können sie auf verschiedenen Wegen datiert und so der ungefähre Zeitpunkt eines einzelnen Murgangs bestimmt werden. Die systematische Erfassung von möglichst vielen Murgangereignissen kann so Informationen über die generelle Muranfälligkeit sowie über die Klimageschichte eines Gebiets liefern. Häufig wird das Alter der Bäume bestimmt, die auf Murzungen und -kegeln wachsen. Möglich sind auch Untersuchungen der Sedimente. Es wurden deutlich Unterschiede in der Häufigkeit von Murgängen festgestellt. Ein Zusammenhang zwischen Mur-Aktivität und Großklima konnte jedoch nicht festgestellt werden, so dass anthropogene Ursachen vermutet werden.

Quelle: http://de.wikipedia.org/wiki/Murgang, 23.01.2013


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Hinweise auf weiterführende Literatur • Bionik - der Natur abgeschaut: Themenheft der Zeitschrift „Sache Wort Zahl - Lehren

und Lernen in der Grundschule Heft 130. - Aulis Hallbergmoos, 2012

Neben anderen interessanten Beiträgen werden vielfältige Unterrichtsideen zur kind-gemäßen und handlungsaktiven Auseinandersetzung mit der Struktur von Bienenwa-ben gegeben.

• Chaos und Strukturbildung: Themenheft der Zeitschrift „Naturwissenschaften im Un-terricht Physik“ Heft 94. - Friedrich Seelze, 2006

Neben den fachlichen Grundlagen und didaktischen Anregungen wird eine Reihe von Experimenten zur Strukturbildung in Granulaten und in Strömungen beschrieben.

• Ellenbracht, Friedhelm; Langenbruch, Brigitte: Architektur des Lebens. - Volk und Wissen Berlin, 2003

Dieses Schülerarbeitsmaterial stellt die naturwissenschaftlichen Grundlagen der Bil-dung von Muster und Strukturen sehr anschaulich dar. Die mathematische Modellie-rung der Probleme geht nicht über den Mathematikunterricht der Sekundarstufe I hin-aus, ist anregend, aber anspruchsvoll.

• Greschik, Stefan: Das Chaos und seine Ordnung. - dtv München, 1998

In diesem kleinen Buch werden populärwissenschaftlich die wichtigsten Begriffe und Phänomene des Deterministischen Chaos und der Selbstorganisation dargestellt und an zahlreichen Beispielen erläutert.

• Korneck, Friederike: Laminare Strömungen, Turbulenz und Strukturbildung in Flüs-sigkeiten (Lehrerhandreichung). - In: Naturwissenschaften im Unterricht, 2006

kann per Mail bei der Autorin angefordert werden: [email protected]

Für den gutwilligen Leser werden auf relativ hohem theoretischem Niveau die physi-kalischen Grundlagen der Strukturbildung in Strömungen erklärt. Ergänzend werden viele Experimente und technische Anwendungen aufgeführt.

• Pongs, Dennis: Experimentelle Zugänge zur Strukturbildung. - Münster 2002

Download unter: http://go.to/lordmigt

In dieser Wissenschaftlichen Hausarbeit für das erste Staatsexamen beschreibt Herr Pongs sehr ausführlich die Durchführung, Auswertung von 14 Experimenten zu Strukturbildung für den Physikunterricht in der Sekundarstufe I. Sehr gründlich erklärt er dabei die zu beobachtenden Phänomene.

• Wilke, Hans-Joachim (Hrsg.): Physikalische Schulexperimente Band 1. - Volk und Wissen Berlin, 1997

Neben vielen anderen Experimenten werden Untersuchungen von Strömungen in Flüssigkeiten und Gasen sehr genau beschrieben.


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Bildquellenverzeichnis

Seite Motiv Quelle/Autor

3 Parkett KMJ

Sonnenblume Asio otus

Kreuzblüte alvesgaspa

4 Schneekristall Ben Zin

Kochsalz-Kristall Walter J. Pilsak

Chromalaun-Kristall M. Zellner

Luftwirbel NASA

Konvektionszellen NASA

Soliton Flickr

6 Bernard-Zelle 1 Jürgen Godau

7 Bernard-Zellen 2 Denis Pongs

Tiefdruckgebiet Nasa

Wirbelstraße http://aerodynamik.userweb.mwn.de/bilder/wirbelstrasse.jpg

8 Sandrippel Rosino

Farnblatt Ulrich Schwebinghaus

9 Sandhaufen Anton

12 Schneeflocken Wilson Bentley

13 Mantel Harald Schulz

14 Pythagorasbaum http://www.was-ist.ch/attachments/strauch1.png

15 Fußweg http://media.ais-online.de/media/65842/images/11966815px600x338.jpg

Zebra 1 André Karwath aka 16

Zebra 2 Rainbirder

17 Fingerabdruck http://www.kinderpolizei.at/kids/spuernase/fingerabdruck.jpg

Apfelblüte http://www.hoteltiefenbrunn.com/images/stories/apfelbluete%5b1%5d.jpg

18

Kastanienblatt ttp://www.rhoenhotel-loewen.de/Animationen/herbst/herbst_kastanie_blatt.gif

21 Paranusseffekt Denis Pongs

26 Schneelawine Scientif38

27 Schneelawine ElHeinicken

28 Murgang Egon Schmidt

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