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
- Verzeichnisse
- Inhalt
- Einleitung: Die Oberflächentemperatur der Erde
- Physikalische Grundlagen des Treibhauseffektes
- Die Energiebilanz der Erde
- Die Leistung der Wärmestrahlung schwarzer Körper
- Das Spektrum der Wärmestrahlung schwarzer Körper
- Vom Treibhauseffekt zum Klimawandel
- Ausmaß und Folgen des Klimawandels
- Daten zu Kohlenstoffdioxidausstoß und Temperaturanstieg
- Folgen des Temperaturanstiegs
- Eisschmelze durch steigende Temperaturen
- Folgen der Meereserwärmung
- Boreale Wälder und Permafrostböden
- Erderwärmung und Ernährungssicherheit
- Erderwärmung und Wälder
- Klimawandel und Gesundheit
- Klimawandel in den Politikwissenschaften
- Ursachen für Treibhausgase und technische Handlungsoptionen
- Die Energiewirtschaft
- Die Industrie
- Der Verkehr
- Die Gebäude
- Die Landwirtschaft
- Politische und fiskalische Handlungsoptionen
- Aufforstung von Wäldern
- Fiskalische Instrumente
- Geo-Engineering
- Systemänderungen
- Das Klimapaket der Bundesregierung September 2019
- Der Weltklimarat und die letzten drei großen Klimakonferenzen
- Schülerexperimente zum Treibhauseffekt
- Modellversuch eines Treibhauses mit Kohlenstoffdioxid
- Absorption von Wärmestrahlung durch Kohlenstoffdioxid
- Schülerexperimente zur Wechselwirkung von Pflanzen mit Kohlenstoffdioxid
- Wachstumsexperimente mit Kresse
- Vorversuch
- Versuche in Schälchen
- Versuche in Einweckgläsern
- Experimente zum Kohlenstoffdioxidabbau durch Pflanzen
- Vorexperimente
- Kleine Pflanzen in Falttüten
- Pflanzen in der Vorratsbox
- Messungen in Kronen kleiner Bäume
- Ein Schülerprojekt zur Auslese der Experimente mit einem Raspberry Pi Minicomputer
- Das Raspberry PI-Projekt
- Eigenschaften des verwendeten Pis
- Systeminstallation
- Verbindung des Raspberry Pi mit dem WLAN-Netzwerk
- Systemvorbereitungen für die Messungen
- Einfaches Beispiel zur Programmierung des GPIO
- Der CO2-Sensor
- Experiment zum Kohlenstoffdioxodabbau mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
- Experiment zum Albedoeffekt mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
- Messung des Treibhauseffektes mit Auslese durch einen Raspberry Pi Computer
- Raspberry Pi und Windows IOT
- Erstellen des Ausleseprogramms
- Erstellen einer Hintergrundanwendung
- Zusammenfassung der Experimente mit dem Raspberry Pi
- Zusammenfassung und Ausblick
- Anhang: In den Experimenten benutzte Geräte
- Strahlungsquellen
- LED-Strahler
- LED Pflanzlicht Toshiba Grow Light BR 30 LED 9W
- Infrarotstrahler Philips R95E 100W
- Messgeräte
- Digitalthermometer TFA MOXX
- CO2-Messgerät TFA AIRCO2NTROL
- Unter Raspbian benutzte Pythonprogramme
- Programm 1: Übungsprogramm blinkende LED
- Programm 2: Steuerung des CO2-Sensors – Einschalten der automatischen Kalibration
- Programm 3: Programm zur kontinuierlichen Auslese des CO2-Sensors
- Programm 4: Programm zur kontinuierlichen Auslese des Temperatursensors
- Programm 5: Programm zur kontinuierlichen Auslese des Temperatursensors und des CO2-Sensors
- Unter Windows IOT benutzte C# - Programme
- Programm 6: Übungsprogramm durch Buttons schaltbare LED
- Programm 7: Auslese des CO2 - Sensors auf Tastendruck
- Programm 8: Auslese des CO2 – Hintergrundanwendung mit Datenspeicherung
- Informationen für Lehrpersonen
- Unterrichtsmaterialien
- A1 Unterrichtsvorschlag „Der Treibhauseffekt“ für die Mittelstufe
- Benötigte Materialien:
- Durchführung:
- Text: Der Treibhauseffekt
- Arbeitsblatt Treibhauseffekt
- Nur für die Lehrpersonen
- A2 Unterrichtsvorschlag „Der Treibhauseffekt“ für die Oberstufe
- Benötigte Materialien:
- Durchführung:
- Text: Der Treibhauseffekt
- Arbeitsblatt Treibhauseffekt
- Nur für die Lehrpersonen
- A3 Unterrichtsvorschlag „Der Treibhauseffekt“ für Leistungskurse
- Benötigte Materialien:
- Durchführung:
- Text: Der Treibhauseffekt
- Arbeitsblatt Treibhauseffekt
- Nur für die Lehrpersonen
- B1 Versuch zum Treibhauseffekt
- Benötigte Materialien:
- Durchführung:
- Arbeitsblatt Versuch B1 Treibhauseffekt
- B2 Versuch zur Absorption von Wärmestrahlung durch Kohlendioxid
- Benötigte Materialien:
- Durchführung:
- Arbeitsblatt Versuch B2 Absorption von Wärmestrahlung in Kohlendioxid
- C1 Versuch zum Kohlendioxidabbau durch Pflanzen
- Benötigte Materialien:
- Durchführung:
- Arbeitsblatt zum Abbau des Kohlendioxid durch Pflanzen
- C2 Versuch zur Förderung von Pflanzenwachstum durch Kohlendioxid
- Benötigte Materialien je Schüler:
- Durchführung:
- Arbeitsblatt
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Masterarbeit befasst sich mit der Frage, wie der Treibhauseffekt und der Klimawandel im Schulunterricht mithilfe von Schülerexperimenten anschaulich und verständlich dargestellt werden können. Ziel ist es, Lehrenden praktikable Unterrichtsmaterialien an die Hand zu geben, die es ermöglichen, komplexe physikalische und gesellschaftliche Zusammenhänge in der Oberstufe zu vermitteln.
- Die physikalischen Grundlagen des Treibhauseffekts, insbesondere die Wärmestrahlung schwarzer Körper und die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Gase.
- Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Erde, die Auswirkungen auf die Meere, die Polkappen, die borealen Wälder und den Permafrost, die Ernährungssicherheit und die Gesundheit.
- Politische und gesellschaftliche Maßnahmen zur Reduzierung des Treibhauseffekts, wie die Energiewende, die Verkehrswende, Geo-Engineering und die Rolle des Weltklimarats.
- Die Entwicklung und Umsetzung von Schülerexperimenten, die den Treibhauseffekt, die Absorption von Wärmestrahlung durch Kohlendioxid und den Kohlendioxidabbau durch Pflanzen demonstrieren.
- Die Verwendung des Raspberry Pi Minicomputers für die Auslese von Messdaten in den Schülerexperimenten, um die Schülerinnen und Schüler an moderne Technologien heranzuführen.
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit beginnt mit einer detaillierten Erklärung des Treibhauseffekts und seinen physikalischen Grundlagen. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz und das Plancksche Strahlungsgesetz werden eingeführt, um die Rolle der Wärmestrahlung und die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Gase zu erklären. Im Anschluss werden die Folgen des Klimawandels für die Erde und ihre Ökosysteme aufgezeigt. Das dritte Kapitel befasst sich mit den politischen und gesellschaftlichen Maßnahmen, die zur Reduzierung des Treibhauseffekts und zur Bekämpfung des Klimawandels eingesetzt werden. Hier werden verschiedene Ansätze wie die Energiewende, die Verkehrswende und Geo-Engineering beleuchtet. Der Kern der Arbeit liegt in der Entwicklung und Durchführung von Schülerexperimenten, die den Treibhauseffekt und den Kohlenstoffdioxidabbau durch Pflanzen demonstrieren. Im fünften Kapitel werden einfache Experimente vorgestellt, die mit Materialien aus dem Alltag durchgeführt werden können. Im sechsten Kapitel werden die Experimente dann mit dem Raspberry Pi Minicomputer erweitert, um die Auslese von Messdaten zu automatisieren und die Schülerinnen und Schüler an moderne Technologien heranzuführen. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Ergebnisse und einem Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten.
Schlüsselwörter
Die Masterarbeit beschäftigt sich mit dem Treibhauseffekt, dem Klimawandel, den Folgen des Klimawandels, den politischen Maßnahmen zum Klimaschutz, Schülerexperimenten, der Verwendung des Raspberry Pi Minicomputers und der Vermittlung von naturwissenschaftlichen und gesellschaftlichen Themen im Schulunterricht.
- Arbeit zitieren
- Martin Reisener (Autor:in), 2019, Klimakatastrophe im Klassenzimmer. Schülerexperimente zum Treibhauseffekt, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/537153
