Category Archives: Astronomie

6. Schulwoche: Interessant ist anderes

Bei den 6. Klässlern habe ich diese Woche über etwas eher Interessantes gesprochen – den Elektromotor. Schon das Wort alleine scheint Interesse zu wecken, denn in der Elektromotor-Stunde sind wirklich immer alle dabei. Vielleicht auch, weil wir Elektromotoren täglich zumindest indirekt brauchen. Lüfter am PC, Zeitungsdrucker, Küchengeräte, Waschmaschine, elektrische Zahnbürste oder Haarfön, Bus oder Elektrovelo – die Liste lässt sich stark erweitern. Hinzu kommt, dass das Schulmodell des Elektromotors auch schon ein ziemlich beeindruckendes Gerät ist, welches trotz nur 40 V Spannung schon eine unerwartete Kraft entfaltet. Man kann sich dann gut ausmalen, was bei einem Motor an 240 V oder rund 400 V möglich ist. Ich habe die Wucht des Motors vor vier Jahren (5. September 2012, ein Mittwoch… warum ich das schreibe wird später klar) sogar selbst zu spüren bekommen, weil ich damals aus Versehen beim Erklären meinen Zeigefinger in den Rotor gehalten habe… Die Fingerkuppe ist anschliessend nur noch auf dem Rest des Fingers geschwebt. Ich habe sogar ein Bild davon:

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Auf jeden Fall ist es jedes Jahr dasselbe… Alle versuchen die „Rechte-Hand-Regel“, welche für die hier entscheidende Lorentzkraft gilt, praktisch hinzukriegen. Will heissen: Daumen auf die Stromrichtung, Zeigefinger in die Richtung des Magnetfeldes und der Mittelfinger zeit dann die Kraft an. Da man aber die Finger nicht standardmässig in rechten Winkeln hält und sie alle unabhängig in beliebige Richtungen zeigen lassen kann, bekommen das wirklich nie alle hin. Auch mit Hilfe nicht. Auch nach mehrmaligem Erklären nicht.  Auch wenn Mitschüler es mit einer „besseren“ Erklärung versuchen: Finger sortieren bleibt für viele ein Challenge. Das toppt sogar die Frage, ob das Erdmagnetfeld überall nach Norden zeigt… (Ja, tut es. Zumindest ist das die Antwort darauf, wie die Frage gemeint war. Ansonsten ist die Antwort nein. Alleine schon deshalb, weil der geografische Norden nicht mit dem magnetischen Süpol dort übereinstimmt. Der wandert nämlich ziemlich fest.)

Bei den 5. Klässlern geht es nach wie vor um Kreisbewegungen. Und dabei diskutieren wir immer wieder ein wenig Raumfahrt. Zwar kommt wahrscheinlich der Traumberuf Astronaut bei 17-Jährigen nicht mehr ganz so oft vor wie bei 5-Jährigen – aber interessant ist es allemal. Mittlerweile ist den 5. Klässlern klar, dass man eine Rakete am Besten in der Nähe des Äquators startet, weil sie so durch die Rotationsgeschwindigkeit der Erde eigene Geschwindigkeit mitbekommt. Gratis sozusagen. Es ist auch klar, dass Astronauten in einer Raumstation – entgegen der häufigen Annahme – nicht wirklich schwerelos sind. Die werden von der Erde angezogen! In Wirklichkeit sogar etwa gleich stark wie wir hier unten auf der Erde (sie sind ja auch nur etwa 400 km in der Höhe). Sie sind nur so schnell, dass sie immer an der Erde vorbei fallen. Aber sie fallen; mit fast 9.81 m/s2, wie wir. Und daraus ergab sich diese Woche eine interessante Frage: Was passiert, wenn man einen Stein aus der Raumstation auf die Erde herunter werfen will? Wo landet der? Ich will hier nicht zu viel verraten, wen’s wirklich interessiert kann hier nachlesen oder dieses Video schauen:

Um Werfen ging es auch am Dienstag – in der ersten Prüfung meiner neuen PAM-ler, der zukünftigen Elite also. Sagen wir es so: Es ist noch ein langer Weg… Aber definitiv nicht aussichtslos.

Wenn nicht gerade Prüfung ist, also in normalen Schulstunden, ist aber meist interessant, was nicht gerade Schulstoff ist. Dabei geht es nicht mal um schwierig oder einfach. Angenommen ich sage beiläufig einem Schüler, dass sein Geburtsdatum (28. August 1998) ein Freitag war, so sind alle sofort voll dabei. Wie macht er das? – Ich verrate diesen Trick eigentlich ähnlich ungerne wie denjenigen, wie man Wurzeln auf 3 bis 4 signifikante Stellen berechnen kann (natürlich im Kopf) . Aber das interessiert die Leute; so wie die Geschichte, wie ich schwimmen gelernt habe oder mein Schlafverhalten. Das wurde in meinem ersten Schuljahr nämlich getestet. Während dieser Geschichte sind wir auf die (beste) Fernsehserie (überhaupt) „24“ gekommen, welche mittlerweile schon so alt ist, dass sie nicht mehr alle Schüler kennen. Das ist grob erstaunlich und daran merke ich, dass ich tatsächlich auch älter werde. Diese Serie habe ich nämlich die ganze Nacht hindurch geschaut vor meinem Bewerbungsgespräch am 13. Dezember 2006 (es war ein Mittwoch). Das ist fast genau 10 Jahre her. Welche Serien gerade in sind (z.B. Black Mirror, Game of Thrones, Vikings oder Ähnliches) und da ein wenig mitreden können –  das ist als Lehrer irgendwie wichtig und geht fast schon unter Vorbereitung.

Unter Vorbereitung geht auch, in China einen 10 Watt Laser zu bestellen. Einen, mit dem man Streichhölzer knapp anzünden kann. Vielleicht kann man ihn einmal verwenden für eine Maturaarbeit, irgend ein Signal auf den Laser modulieren und durch die Gegend schicken. Fällt mir gerade ein, weil ich diese Woche die 23. Maturaarbeitsdokumentation erhalten habe, darin geht es darum, wie man sich selbst ein Periodensystem mit realen Proben der Elemente herstellen könnte. Diese Dokumentation habe ich am Wochenende ein erstes Mal gelesen. Lehrer arbeiten eben auch am Wochenende.

1. Ferienwoche: Mars

Ich kenne viele Leute, die denken, dass es nur genau zwei gute Gründe gibt, Lehrer zu werden: Juli und August. Überhaupt reduzieren viele die Lehrer auf (zu) viel Ferien und halten es für ein Gerücht, dass wir dort wirklich arbeiten. Vorbereiten heisst nicht unbedingt nur ein neues Aufgabenblatt oder eine neue Unterrichtseinheit zusammenstellen. Vorbereiten heisst auch administrative Sachen zu erledigen (davon gibt es eine Menge), aber auch immer fachlich up-to-date zu sein und einen (möglichst grossen) Wissensvorsprung zu haben. In meinen letzten Posts habe ich ja schon öfters auf die geplante anstehende Marsreise verwiesen. Da das so langsam aber sicher ernst wird, habe ich mir vorgenommen, mein Wissen darum aufzufrischen. Auffrischen, weil ich im Jahr 1996 schon einiges darüber gelesen habe. Damals hat die NASA den Mars Pathfinder Sojourner auf den Mars geschickt; das war ein Riesenereignis und in Obwalden unter anderen deswegen jedem bekannt, weil die dort ansässige weltweit operierende Firma Maxon Motor der NASA dafür Präzisionsmotoren geliefert hat. Motoren aus Obwalden sind also seit 1997 (dann ist das Teil gelandet) bereits auf dem Mars!

Eric Aguilar order 111211 Group photos in Mars Yard MER DTM, Marie Curie, MSL DTM, Matt and Wes photog: Dutch Slager

Eric Aguilar order 111211
Group photos in Mars Yard
MER DTM, Marie Curie, MSL DTM, Matt and Wes
photog: Dutch Slager

Jetzt, 20 Jahre später, ist der Mars wieder aktuell – unter anderem weil der Tesla-Erfinder Elon Musk ihn kolonisieren will, aber auch weil vor einem Jahr die Verfilmung des Romanes The Martian (Der Marsianer) in die Kinos gekommen ist. Alles rund um Elon Musk und Mars verfolge ich relativ stetig, Romane und Filme hingegen nicht so. Trotzdem – in weiser Voraussicht, dass es Schülerfragen dazu geben könnte in Zukunft – habe ich während all meinen Autofahrten in der ersten Ferienwoche das Hörbuch des Marsianers gehört und auch die Verfilmung an einem Abend (2 Stunden 21 Minuten) angeschaut… Es fängt zwar mit einem kleinen Physik-Fail an (in der 6 hPa dünnen Atmosphäre des Mars wird es kaum Stürme der beschriebenen Stärke geben, so dass die Mission abgebrochen werden muss), geht dann aber wissenschaftlich okay weiter. Das Buch ist dabei weit „chemischer“ und „technischer“ als der Film.

Jetzt aber zu den Fakten… Zu dem, was eigentlich jeder Mittelschüler über den Mars wissen muss. Erstens ist er einer von den ursprünglichen 9 Planeten unseres Sonnensystems. (Ich finde es nicht verkehrt, weiterhin von diesen 9 zu sprechen, obwohl die IAU Pluto den Status „Planet“ vor 10 Jahren aberkannt hat.) Die 9 Planeten sollte man in der richtigen Reihenfolge (d.h. in grösserwerdendem Abstand zur Sonne) aufzählen können. Mein Vater erklärt mir jeden Sonntag unsere neun Planeten hilft dabei als Merkspruch. Nun wäre der Mars nach der Erde der zweite Planet, auf welchen wir Menschen Fuss setzen würden. Die Zahl „2“ ist jetzt wichtig: Mars ist halb so gross wie die Erde, ein Jahr dauert dort zweimal so lang wie auf der Erde und er ist nicht ganz zweimal so weit weg von der Sonne wie die Erde (es ist etwa 1.5-mal). Alle zwei Jahre (bzw. 26 Monate für Besserwisser) kommt er der Erde sehr nahe und er hat zwei Monde (Phobos und Deimos, Furcht und Schrecken). Die Atmosphäre dort besteht vor allem aus CO2, ist aber sehr dünn. Er ist zudem rot, weil es auf seiner Oberfläche viel Rost hat (Eisenoxid) und neuere Untersuchungen zeigen, dass es unter dieser Oberfläche viel Eis gibt, also Wasser. Ein Marstag dauert ein wenig mehr als ein Erdentag und man nennt ihn Sol. Der Kriegsgott Mars ist nicht nur Namensgeber für den Planeten, sondern auch für den Monat März und Vornamen wie Marco oder Markus. Vor 20 Jahren musste man übrigens nicht über den Mars Bescheid wissen. Damals war irgendwie immer noch die Mondlandung die Messlatte für Wissen über Raumfahrt. Als Mittelschüler sollte man auch da die wichtigsten Fragen beantworten können… Wann waren Menschen das erste Mal auf dem Mond? Wie viele sind seither dort gewesen? Wie weit ist der Mond weg von der Erde? Wie gross ist er? Wie lange dauert ein Umlauf um die Erde? Das ist Basicwissen. Und da ich schon bei Raumfahrt war, hab ich mir direkt noch den IMAX-Film zur Raumstation aus dem Jahr 2002 sowie Interstellar angeschaut. Ich denke, ich bin jetzt gut auf Fragen vorbereitet…

Die zweite Sache, mit der ich mich von Berufs wegen diese Woche beschäftigen „musste“, war der Nobelpreis in Physik. Das Nobelkomitee stellt jeweils auf seiner Webseite zwei PDFs zur Verfügung, welche erklären, wofür die Preise vergeben wurden. Eines eher so populärwissenschaftlich für 20-Minuten-Reporter (5 Seiten), eines eher so wissenschaftlich für Physiklehrer (28 Seiten). Beides zu lesen und vor allem auch nachzuvollziehen – das ist echt Arbeit. Das lange PDF gefällt mir nur schon besser, weil es in LaTeX gesetzt ist. Aber zurück zum Thema: Man weiss, dass auf atomarer Ebene eine Art andere Physik gilt, als die, mit der wir (mehr oder weniger) aus dem Alltag intuitiv vertraut sind. Man nennt sie Quantenphysik. Man kann einige Effekte davon – wenn man zu sehr tiefen Temperaturen nahe es absoluten Nullpunktes wechselt – auch für das blosse Auge sichtbar machen, z.B. Suprafluidität:

Thouless, Haldane und Kosterlitz haben den Nobelpreis nun dafür bekommen, dass sie in diese Kategorie gehörende Effekte in sehr dünnen, als 2-dimensional geltenden Materialien mit einer neuen Theorie mathematisch exakt beschreiben können. Die Theorie bedient sich der Topologie, einem Teilgebiet aus der Mathematik, welches sich – für Anfänger erklärt – mit Objekten wie einem Möbiusband beschäftigt:

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Das ist eigentlich ein Streifen Papier, welcher nur eine Seite hat… Wenn man einen Kugelschreiber nimmt und in der Mitte auf diesem Band der Länge nach anfängt eine Linie aufzumalen, so kommt man wieder beim Ursprungspunkt an und hat „alles“ vermalt. Man muss bzw. kann nicht wie bei einem „normalen“ Band die Seite wechseln. Es ist sehr einfach, so ein Band herzustellen und es auszuprobieren. Solche Dinge untersucht und beschreibt die Topologie. Mit solchen Theorien haben die drei Nobelpreisgewinner nun Effekte auf atomarer Ebene beschrieben.

Ihr seht – nebst den ganzen administrativen Sachen hatte ich auch in den Ferien eine Menge Arbeit…

2. Schulwoche: Alltag

Die Sommerferien sind schon wieder weit weg, an den neuen Stundenplan hat man sich zwar noch nicht gewöhnt – aber im „Schule-geben-Gefühl“ ist man schon wieder voll drin.

Die 5. Klässler konnten im Vergleich zu anderen Jahrgängen damit brillieren, dass sie verstehen wie die Mondphasen zustande kommen (für einige war allerdings sogar der Begriff neu). Auch, dass es in Rom schneller Nacht wird als in London (also die Dämmerung im Süden kürzer ist) wussten sie, teils sogar aus Erfahrung. Trotzdem hoffe ich, dass die erklärende Skizze die Erfahrung in Zukunft durch Verständnis ergänzen wird. Die ganze Himmelsmechanik – wir steuern darauf zu, im Moment sind wir eigentlich erst bei Kreisbewegungen – hängt selbstverständlich an der Gravitation. Um diese ging es im weiteren Sinn auch in der Lehrercafeteria, weil ich dort einem interessierten Kollegen von guten Online-Vorlesungen der Stanford University erzählt habe. Die 10 mehr als 90 Minuten dauernden Vorlesungen von Professor Susskind zum Thema Allgemeine Relativitätstheorie kann man sich auf YouTube ansehen:

Die Allgemeine Relativitätstheorie geht davon aus, dass man Gravitation nicht von einem sich beschleunigenden Bezugssystem unterscheiden kann… Das ist eine an sich einfache Aussage, aber die Behandlung ist mathematisch ziemlich aufwändig… Ziel ist jetzt auf jeden Fall, diese Vorlesungen nochmals durchzusehen und evtl. mit diesem einen Lehrerkollegen zusammen zu Experten zu werden darin. Das ist eine von vielen schönen Seiten am Lehrerberuf: Man kann sich um Wissen kümmern um des Wissens willen. Nicht, weil man damit eine Prüfung schaffen oder damit etwas erschaffen muss. Einfach nur der Bildung wegen – und genau das hilft uns, wenn wir beibringen und erklären sollen. YouTube und andere Online-Channels, teils von den Universitäten selbst, sind diesbezüglich schon sehr cool. Man kann mit einem Tablet von zu Hause aus, im Bett liegend, jeden Abend theoretisch verschiedenste Vorlesungen „belegen“ und sich Wissen auf höchstem Niveau aneignen. Stans ist ja nicht gerade eine Universitätsstadt, wo man als Hörer mal eben in eine Uni reinsitzen könnte. Ich habe bei diesem Gespräch um diese Videos auch den Gedanken geäussert, dass es eigentlich noch cool wäre, man hätte das auch an einer Mittelschule. Angenommen, es gäbe tatsächlich zwei, drei Rentner oder sonst Leute mit Zeit und Interesse an Physik – es wäre irgendwie eine Bereicherung, wenn die auch mit den Schülern, die ein Maturazeugnis brauchen, in den Unterricht sitzen würden um Physik zu lernen. Zu Ende gedacht ist dieses Modell einer „öffentlichen Schule“ sicher noch nicht, aber der Gedanke daran hat erstmal seinen Reiz… Ich habe nämlich Freude an Besuch in meinem Unterricht. Das ist eigentlich auch das Beste an den „Q-Gruppen“ – Lehrergrüppchen, welche sich untereinander während des Schuljahres besuchen. Das Grüppchen, welchem ich angehöre ist am Mittwoch zusammengesessen und hat abgemacht, wer wen besucht. Ich bekomme zweimal Besuch demnächst *freu*. Aber auch ohne Q-Gruppe kommt es öfters vor als man vermuten würde, dass jemand spontan vorbeischaut. Meistens sind es ehemalige Schüler; so auch in dieser erst zweiten Schulwoche, wo drei ehemalige (alle aus anderen Klassen) die ganze PAM-Doppelstunde der 5. Klässler geblieben sind. Als ausgebildeter Jäger weiss ich vom Spruch „Berg rauf und runter halt immer ein bisschen drunter“ – welchen die PAMler in dieser Lektion zum Thema Schiefer Wurf physikalisch erklären sollten. Fast interessanter aber fanden alle das 100er Spiel: Einer fängt an mit einer Zahl zwischen 1 und 10. Der nächste darf eine Zahl sagen, welche höchstens um 10 grösser ist, das geht abwechselnd weiter. Derjenige, der zuerst 100 sagen kann, hat gewonnen. Es spricht für die PAMler, dass sie das Prinzip noch während der Lektion herausgefunden haben (nachdem aber alle einmal gegen mich verloren haben).

Die angeschnittene Allgemeine Relativitätstheorie ist wie erwähnt eher kompliziert und wird standardmässig selten unterrichtet. Wenige kennen sich damit aus. Anders verhält es sich mit der Speziellen Relativitätstheorie. Die PAMler werden davon im zweiten Semester einiges lernen. Die eine Hälfte davon kennen alle 4. Klässler ab der dritten Lektion, so auch die Neuen jetzt: Die Physik ist in jedem sich gleichförmig bewegenden System dieselbe. Deswegen ist man im Lift, wenn man aufspringt, immer gleich lang in der Luft, egal ob der gerade auf- oder abwärts fährt. Und deshalb kann man im Zug Kaffee trinken oder im Flugzeug ein Bällchen aufwerfen und alles verhält sich wie auf dem Erdboden. Komisch wirds erst, wenn das Licht dazu kommt. Die Erklärung spare ich mir für’s zweite Semester. Aber es sei noch angemerkt, dass wir in der 4. Klasse im Schulzimmer die Lichtgeschwindigkeit ausgemessen haben. 7.5-mal um die Erde pro Sekunde, so schnell ist es. Und ich habe den Schülern ein starkes Logik-Denksel gegeben, welches die Mächtigkeit von „Bildern im Kopf“ vorführen sollte. Aufgrund der Feedbacks muss ich sagen: Mission accomplished.

Das ist jetzt gesucht, aber auch das Thema der 6. Klässler hat ein wenig mit Relativitätstheorie zu tun… Sie wissen jetzt, warum wir uns kleinste Elementarmagnete vorstellen und es (bis jetzt) unmöglich ist, einen isolierten magnetischen Nord- oder Südpol zu haben. Die beiden treten immer zusammen auf – weil sie salopp ausgedrückt immer ein Nebenprodukt der Elektrizität sind. Sheldon Cooper aus The Big Bang Theory forscht im Bereich der Stringtheorie, welche versucht, die Relativitätstheorie mit dem Elektromagnetismus zu vereinigen. Dafür reist er irgendwann (Season 3, Episode 1) zum (geografischen) Nordpol, um eben einen magnetischen Monopol zu finden; hier die Szene der Rückkehr:

Allerdings stellt sich aber heraus, dass Sheldons Kollegen dessen Experiment gestört haben, so dass es falsche Daten produziert hat. Am Besten schaut ihr einfach die Folge.

Und dann war diese Woche noch ein „SchiLW“ – schulinterne Lehrerweiterbildung – ein weiteres Mal zum Thema „Klassenzimmer vs. Fachzimmer“. Kurz zusammengefasst: Nachdem wir den Plan zu diesem Projekt „Fachzimmer“ schon im letzten Schuljahr anschauen und Rückmeldungen geben durften, diese nun eingeflossen sind und man nun einen „Plan 3.0“ hat, sollten wir abermals diskutieren und aufschreiben, was man denn weiter verbessern könnte bzw. an was noch gedacht werden muss. In meiner Gruppe kamen da nur noch Details zum Vorschein. Die grosse Frage wird bald sein macht man’s oder lässt man’s…