Spätestens mit der europaweiten Bewegung "Friday for Future" ist das Thema Klimaschutz inzwischen auch in der Schullandschaft angekommen. Der Physikunterricht ist der ideale Ort, um die Grundlage der Erdtemperatur, den Treibhauseffekt, den Schülerinnen und Schülern nahezubringen und damit auch gleichzeitig eine interdisziplinäre Verknüpfung mit anderen Fachbereichen (zum Beispiel Geographie, Biologie, Sozialkunde) aufzuzeigen.
Zuerst wird die physikalische Grundlage, der Treibhauseffekt, erklärt und wieso die Emission von Treibhausgasen, wie beispielsweise CO2, zu einer weiteren Erwärmung führt. Danach werden die zu erwartenden Folgen diskutiert, und wie die Politik auf diese globale Herausforderung reagiert. Im experimentellen Teil werden erst sehr einfache, anschauliche Experimente zur Erwärmung einer Modellerde und zum Einfluss von Kohlenstoffdioxid vorgestellt. Es folgen zwei Experimente zur Wechselwirkung von Pflanzen und Kohlenstoffdioxid, welche zeigen wie eng dieser Effekt auch mit anderen Wissenschaften verbunden ist. Da die experimentellen Aufbauten nicht zu komplex sind, eignen sie sich besonders dazu, Schüler der Oberstufe im Rahmen von Projekten an die Methoden der Datenerfassung und Datenverarbeitung heranzuführen, dies wird mit einem Raspberry Pi Einplatinencomputer vorgestellt. Schlussendlich werden Lehrenden Materialien für die Unterrichtsgestaltung zur Verfügung gestellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung: Die Oberflächentemperatur der Erde
2 Physikalische Grundlagen des Treibhauseffektes
2.1 Die Energiebilanz der Erde
2.2 Die Leistung der Wärmestrahlung schwarzer Körper
2.3 Das Spektrum der Wärmestrahlung schwarzer Körper
2.4 Vom Treibhauseffekt zum Klimawandel
3 Ausmaß und Folgen des Klimawandels
3.1 Daten zu Kohlenstoffdioxidausstoß und Temperaturanstieg
3.2 Folgen des Temperaturanstiegs
3.2.1 Eisschmelze durch steigende Temperaturen
3.2.2 Folgen der Meereserwärmung
3.2.3 Boreale Wälder und Permafrostböden
3.2.4 Erderwärmung und Ernährungssicherheit
3.2.5 Erderwärmung und Wälder
3.2.6 Klimawandel und Gesundheit
4 Klimawandel in den Politikwissenschaften
4.1 Ursachen für Treibhausgase und technische Handlungsoptionen
4.1.1 Die Energiewirtschaft
4.1.2 Die Industrie
4.1.3 Der Verkehr
4.1.4 Die Gebäude
4.1.5 Die Landwirtschaft
4.2 Politische und fiskalische Handlungsoptionen
4.2.1 Aufforstung von Wäldern
4.2.2 Fiskalische Instrumente
4.2.3 Geo-Engineering
4.2.4 Systemänderungen
4.2.5 Das Klimapaket der Bundesregierung September 2019
4.3 Der Weltklimarat und die letzten drei großen Klimakonferenzen
5 Schülerexperimente zum Treibhauseffekt
5.1 Modellversuch eines Treibhauses mit Kohlenstoffdioxid
5.2 Absorption von Wärmestrahlung durch Kohlenstoffdioxid
6 Schülerexperimente zur Wechselwirkung von Pflanzen mit Kohlenstoffdioxid
6.1 Wachstumsexperimente mit Kresse
6.1.1 Vorversuch
6.1.2 Versuche in Schälchen
6.1.3 Versuche in Einweckgläsern
6.2 Experimente zum Kohlenstoffdioxidabbau durch Pflanzen
6.2.1 Vorexperimente
6.2.2 Kleine Pflanzen in Falttüten
6.2.3 Pflanzen in der Vorratsbox
6.2.4 Messungen in Kronen kleiner Bäume
7 Ein Schülerprojekt zur Auslese der Experimente mit einem Raspberry Pi Minicomputer
7.1 Das Raspberry PI-Projekt
7.2 Eigenschaften des verwendeten Pis
7.3 Systeminstallation
7.3.1 Verbindung des Raspberry Pi mit dem WLAN-Netzwerk
7.3.2 Systemvorbereitungen für die Messungen
7.3.3 Einfaches Beispiel zur Programmierung des GPIO
7.4 Der CO2-Sensor
7.5 Experiment zum Kohlenstoffdioxodabbau mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
7.6 Experiment zum Albedoeffekt mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
7.7 Messung des Treibhauseffektes mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
7.8 Raspberry Pi und Windows IOT
7.8.1 Erstellen des Ausleseprogramms
7.8.2 Erstellen einer Hintergrundanwendung
7.9 Zusammenfassung der Experimente mit dem Raspberry Pi
8 Zusammenfassung und Ausblick
9 Anhang: In den Experimenten benutzte Geräte
9.1 Strahlungsquellen
9.1.1 LED-Strahler
9.1.2 LED Pflanzlicht Toshiba Grow Light BR 30 LED 9W
9.1.3 Infrarotstrahler Philips R95E 100W
9.2 Messgeräte
9.2.1 Digitalthermometer TFA MOXX
9.2.2 CO2-Messgerät TFA AIRCO2NTROL
10 Anhang: Programmcodes
10.1 Unter Raspbian benutzte Pythonprogramme
10.1.1 Programm 1: Übungsprogramm blinkende LED
10.1.2 Programm 2: Steuerung des CO2-Sensors – Einschalten der automatischen Kalibration
10.1.3 Programm 3: Programm zur kontinuierlichen Auslese des CO2-Sensors
10.1.4 Programm 4: Programm zur kontinuierlichen Auslese des Temperatursensors
10.1.5 Programm 5: Programm zur kontinuierlichen Auslese des Temperatursensors und des CO2-Sensors
10.2 Unter Windows IOT benutzte C# - Programme
10.2.1 Programm 6: Übungsprogramm durch Buttons schaltbare LED
10.2.2 Programm 7: Auslese des CO2 - Sensors auf Tastendruck
10.2.3 Programm 8: Auslese des CO2 – Hintergrundanwendung mit Datenspeicherung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht den Treibhauseffekt sowie die Möglichkeiten des Klimaschutzes und verknüpft dabei physikalische Grundlagen mit praktisch im Unterricht umsetzbaren Schülerexperimenten. Die zentrale Forschungsfrage liegt in der Demonstration des Treibhauseffekts durch kostengünstige Experimente und der anschließenden methodischen Erweiterung mittels moderner Datenerfassung.
- Physikalische Grundlagen des Treibhauseffektes
- Soziale, ökologische und politische Folgen des Klimawandels
- Einsatz von Schülerexperimenten (Modellversuche & Pflanzenwachstum)
- Digitale Datenerfassung durch Raspberry Pi Minicomputer im Unterricht
Auszug aus dem Buch
Die Leistung der Wärmestrahlung schwarzer Körper
Jeder Körper, der wärmer als der absolute Nullpunkt ist, sendet elektromagnetische Strahlung aus. Auf mikroskopischer Ebene kann man sich vorstellen, dass in Festkörpern Moleküle und Atome schwingen, in Flüssigkeiten und Gasen auch rotieren und sich bewegen – in jedem Fall liegen Bewegungen elektrischer Ladungen vor. Nach den Maxwellschen Gesetzen führen bewegte Ladungen zu Magnetfeldern, sich ändernde Bewegungen von Ladung zu elektromagnetischer Strahlung. Diese Strahlung wird umso stärker, je intensiver und schneller sich die Moleküle mit den darauf sitzenden Ladungen bewegen – also je höher die Temperatur ist, denn die kinetische Energie ist proportional zur Temperatur.
Die Formel definiert T als die absolute Temperatur und σ als die Stefan-Boltzmann-Konstante, die den numerischen Wert σ = 5,6703 · 10−8 W/(m²K⁴) hat (RWTH, 2016). Ist die Temperatur eines Objektes bekannt, kann die Leistungsdichte auf der Oberfläche nur aus der Temperatur bestimmt werden. Kommt dazu noch das Wissen über die Oberfläche, ergibt sich die gesamte Leistung, die das Objekt abstrahlt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Oberflächentemperatur der Erde: Einleitende Betrachtung über die historische Entwicklung der Erdtemperatur und die pädagogische Bedeutung der Thematik im Physikunterricht.
2 Physikalische Grundlagen des Treibhauseffektes: Theoretische Herleitung der Energiebilanz der Erde und Erklärung der physikalischen Mechanismen der Strahlungsabsorption.
3 Ausmaß und Folgen des Klimawandels: Analyse der aktuellen Daten zur CO2-Konzentration und Darstellung der gravierenden ökologischen Folgen wie Eisschmelze und Meereserwärmung.
4 Klimawandel in den Politikwissenschaften: Erörterung technischer und politischer Handlungsoptionen, wie dem Kohleausstieg, Instrumenten zur Emissionsreduktion und der Rolle der Energiewende.
5 Schülerexperimente zum Treibhauseffekt: Vorstellung einfacher, kostengünstiger Versuchsreihen, die den Treibhauseffekt mittels einer Modellerde nachweisbar machen.
6 Schülerexperimente zur Wechselwirkung von Pflanzen mit Kohlenstoffdioxid: Dokumentation von Wachstumsexperimenten mit Pflanzen und deren Funktion als CO2-Senke.
7 Ein Schülerprojekt zur Auslese der Experimente mit einem Raspberry Pi Minicomputer: Anleitung zur digitalen Datenerfassung und Systemkonfiguration für Schülerprojekte unter Verwendung moderner Hardware.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee über die Relevanz der Klimaschutzthematik im Bildungskontext und ein Ausblick auf die zukünftige Bedeutung der technologischen Auseinandersetzung.
Schlüsselwörter
Treibhauseffekt, Klimawandel, Kohlenstoffdioxid, CO2, Energiebilanz, Strahlungsphysik, Schülerexperimente, Raspberry Pi, Energiewende, Klimaschutz, Pflanzenwachstum, Datenerfassung, Temperaturanstieg, Albedo, Politikwissenschaften
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der physikalischen Grundlage des Treibhauseffekts, dessen Folgen sowie den Möglichkeiten, dieses komplexe Thema durch einfache Schülerexperimente im Unterricht begreifbar zu machen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zu den Schwerpunkten zählen die physikalische Energiebilanz der Erde, die Folgen des Klimawandels für Natur und Mensch sowie technische Handlungsoptionen aus politischer Sicht.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, Lehrenden praktische Unterrichtsmaterialien an die Hand zu geben, um physikalische Klimaphänomene durch verständliche Experimente zu demonstrieren und die Schüler gleichzeitig an moderne Technologien wie den Raspberry Pi heranzuführen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Die Arbeit kombiniert theoretische physikalische Modellrechnungen mit empirisch-experimentellen Ansätzen im Bereich der Schulphysik sowie einer Analyse aktueller klimapolitischer Diskurse.
Was wird im praktischen Teil behandelt?
Der Hauptteil widmet sich dem Bau von Modellen zur Treibhauseffekt-Demonstration und Wachstumsexperimenten mit Pflanzen, wobei auch deren CO2-Absorption gemessen wird.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Treibhauseffekt, Klimawandel, Raspberry Pi, CO2-Messung, Pflanzenwachstum und Energiewende sind die zentralen Schlagworte der Arbeit.
Welche Rolle spielt der Raspberry Pi in diesem Projekt?
Der Raspberry Pi dient als Minicomputer, um Schülern die automatisierte Datenerfassung und Programmierung (z.B. mit Python oder C#) im Kontext von Umweltmessungen näherzubringen.
Warum ist der Vergleich zwischen weißem und schwarzem Untergrund relevant?
Dieser Vergleich dient dazu, den Albedo-Effekt anschaulich zu verdeutlichen, da unterschiedliche Oberflächeneigenschaften die Absorption von Strahlung und damit die Erwärmung signifikant beeinflussen.
Was ist das Ergebnis der Experimente zur Pflanzeninteraktion?
Die Versuche zeigen, dass Pflanzen unter Zufuhr von CO2 und Licht ein messbar stärkeres Wachstum aufweisen, was das Verständnis für den natürlichen Kohlenstoffkreislauf im Unterricht fördert.
- Arbeit zitieren
- Martin Reisener (Autor:in), 2019, Klimakatastrophe im Klassenzimmer. Schülerexperimente zum Treibhauseffekt, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/537153
