Messen von Beschleunigungen mit iphones

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1 Erstellt von Fachbezug Schulstufe Handlungsdimension Relevante Deskriptoren Zeitbedarf Material- und Medienbedarf Manfred Lohr, Ehrenbrunngasse 6, 2320 Schwechat Physik, Mathematik 7./8. Schulstufe Anwenden und Beschreiben 2. Informatiksysteme 2.2. Gestaltung und Nutzung persönlicher Informatiksysteme Ich kann Programme (Apps) am Handy zur Auszeichnung von Daten nutzen. 2.4 Mensch-Maschine-Schnittstelle Ich kann mit dem Handy aufgezeichnete Daten interpretieren und Rückschlüsse auf die Bewegung des Handys machen. 3. Anwendungen 3.3 Suche, Auswahl und Organisation von Information Ich kann Informationen und Medien im Internet zur Lösung von Aufgabenstellungen verwenden. 4. Informatikkonzepte 4.1 Darstellung von Informationen Ich kann Daten aus Grafiken entnehmen und interpretieren. 4.3 Automatisierung von Handlungsanweisungen Ich kann eindeutige Handlungsanleitungen (Algorithmen) nachvollziehen und ausführen Koordination und Steuerung von Abläufen 2 UE Ich kann einfache Bewegungen aus dem Alltag mit Hilfe eines Koordinatensystems beschreiben. Für die Messungen ist die kostenlose Applikation SparkVue für iphone, ipod Touch oder ipad aus dem itunes Store notwendig. Vor der Durchführung des Beispiels sollten die Schülerinnen und Schüler gebeten werden, diese Applikation auf ihrem Gerät zu installieren. S e i t e 1

2 Anmerkungen Die Arbeit sollte in Gruppen erfolgen, so dass in jeder Gruppe ein Gerät mit dem App zur Verfügung steht. Ist dies nicht möglich, kann mit den Screenshots aus dem Moodle Kurs gearbeitet werden! Nähere Definition der Lernziele: Die SchülerInnen sollen Beschleunigung als physikalische Größe mit den Einheiten benennen. die Orientierung in einem 3-dimensionalen Koordinatensystem im Raum verstehen und anwenden können. die Bedeutung der Beschleunigung beim Auto fahren und beim freien Fall interpretieren können. den Effekt der Schwerelosigkeit bei Parabelflügen erklären können. S e i t e 2

3 AUFGABENSTELLUNG Lies die folgenden Arbeitsanleitungen genau durch und beantworte die Fragen! A) Messung der Beschleunigung wie arbeitet man mit dem App SparkVue? Anleitung zum Starten des Apps: Starte die Applikation SparkVue am iphone. Klicke rechts oben auf +, gib dann als Titel Messung 1 ein und bestätige mit Save. Wähle Measurement Units (Messung Einheiten) und stelle dann rechts g ein mit Done rechts oben die Einstellungen bestätigen. Schau dir dazu auch den Film Videoanleitung zum Starten von SparkVue an! Jetzt kannst du mit deiner ersten Messung beginnen! Wähle dazu einfach Messung 1! 1. Messung 1. Lege das Handy im Querformat mit dem Display nach oben auf den Tisch und starte die Messung mit dem grünen Pfeil unten in der Mitte. 2. Bewege das Handy kurz und lasse es dann wieder ruhig auf dem Tisch liegen, stoppe die Messung nach einigen Sekunden mit dem Pfeil in der Mitte. Schau dir dazu auch den Film Videoanleitung zum Starten von Messung 1 an! Beschreibe die angezeigte Grafik:! Zwischen welchen Werten schwankt die Anzeige während der Bewegung? 3. Welcher Wert wird angezeigt, wenn das Handy ruhig am Tisch liegt? 4. Wieso ist dieser Wert nicht 0? 5. Klicke auf die Achsenbeschriftung der y-achse und wähle bei Accerlerometer, iresultant die Einheit m/s/s. Welcher Wert wird jetzt für das ruhende Handy angezeigt? 6. Finde mit Hilfe des Wikipedia-Artikels den Wert für g heraus! Welche Faktoren verursachen die Ortsabhängigkeit von g? 7. Stelle die Achsenbeschriftung der y-achse auf Accelerometer, X und g ein. Überlege, warum jetzt bei dem am Tisch liegenden Handy der Wert 0 angezeigt wird! 8. Diskutiere mit deinen Klassenkameradinnen und -kameraden im Diskussionsforum, was die Einstellung Accelerometer, X bedeuten könnte! Betrachte dazu das Bild Achsenrichtungen aus dem Moodle Kurs! S e i t e 3

4 2. Messung 1. Starte eine neue Messung! Nimm das Handy in die Hand und bewege es rasch ruckartig hin und her. 2. Stoppe die Messung. Welche minimale und maximale Beschleunigung wurde gemessen? Gib auch an, nach wie vielen Sekunden diese Werte erreicht wurden. 3. Stelle bei der Einheit wieder g ein. 4. Schau dir das Video im Moodle Kurs mit dem Formel I Auto an und gib an, welche maximale Beschleunigung gemessen wurde! Vergleiche mit deinen Werten! B) Beschleunigung während eines freien Falls 1. Sprung Untersuche, welche Beschleunigung angezeigt wird, wenn du mit dem iphone oder dem ipad von einem Sessel springst: 1. Stelle im App SparkVue bei der Beschriftung der y-achse Accerlerometer, iresultant und als Einheit (Unit) g ein. 2. Starte deine Messung mit dem grünen Startbutton und stecke das iphone in deine Hosentasche bzw. halte das ipad mit beiden Händen. 3. Steig auf einen Sessel und bleib einige Sekunden ruhig stehen. Wenn du mit einem ipad arbeitest, halte es möglichst ruhig mit beiden Händen. 4. Springe von dem Sessel auf den Boden und versuche, deine Landung gut abzufedern, indem du in die Knie gehst! 5. Stoppe nach der Landung die Messung am iphone bzw. am ipad! Die Phase des freien Falls erkennst du daran, dass die Anzeige der Beschleunigung fast auf 0 zurückgeht! Betrachte die Grafik deiner Messung und beantworte folgende Fragen: 1. Nach wie vielen Sekunden bist du abgesprungen, nach wie vielen Sekunden gelandet? (Vergrößere durch Zoomen mit 2 Fingern die Skala der x-achse! Mit einem Doppelklick mit 2 Fingern wird die ursprüngliche Skalierung wieder hergestellt!) 2. Wie lange hat dein freier Fall vom Sessel gedauert? 3. Welche Beschleunigung wurde nach der Landung angezeigt? 2. Sprung Zeichne einen zweiten Sprung vom Sessel auf. Bei diesem sollst du deine Landung allerdings nicht so gut abfedern wie beim ersten Sprung. Welche Beschleunigung wird jetzt nach der Landung angezeigt? S e i t e 4

5 Parabelflüge 1. Schau dir das Video im Moodle Kurs über die Parabelflüge an und beantworte folgende Fragen: a. Wofür werden die so gennannten Parabelflüge verwendet? b. Wie lange herrscht während eines Flugmanövers Schwerelosigkeit? c. Analysiere die Grafik, die im Film nach 55 Sekunden sichtbar wird. Welche Beschleunigung tritt in den Phasen vor und nach der Schwerelosigkeit auf? 2. Verwende die Homepage der Zero Gravity Cooperation um herauszufinden, wie viel ein Parabelflug kostet! Gib den Preis in Euro an! Die Seite ist in Englisch für eventuelle Übersetzungen verwende Der Preis wird in Dollar angegeben verwende für die Umrechnung in Euro die Seite Weitere Anwendungsmöglichkeiten Überlege dir weitere sinnvolle Anwendungsmöglichkeiten der Beschleunigungsmessung mit der SparkVue Applikation. Denke an verschiedene Aktivitäten in deiner Freizeit oder beim Sport! Welche Schlüsse könnte man aus deinen vorgeschlagenen Messungen ziehen? Diskutiere deine Ideen im Diskussionsforum Weitere Anwendungsmöglichkeiten! S e i t e 5

6 LÖSUNGEN A) Messung der Beschleunigung wie arbeitet man mit dem App SparkVue? 1. Messung 1. Beschreibe die angezeigte Grafik: Zwischen welchen Werten schwankt die Anzeige während der Bewegung? Während das Handy bewegt wurde, schwankt die Beschleunigung zwischen 0,6g und 1,3g. Diese Werte sind abhängig von der Bewegung! 2. Welcher Wert wird angezeigt, wenn das Handy ruhig am Tisch liegt? Wenn das Handy ruhig am Tisch liegt, wird 1g Beschleunigung angezeigt. 3. Wieso ist dieser Wert nicht 0? Der Wert ist nicht 0, weil das Handy der Erdanziehung (Schwerkraft) ausgesetzt ist! 4. Klicke auf die Achsenbeschriftung der y-achse und wähle bei Accerlerometer, iresultant die Einheit m/s/s. Welcher Wert wird jetzt für das ruhende Handy angezeigt? Für das ruhende Handy wird ein Wert von 9,8 m/s/s angezeigt! 5. Finde mit Hilfe des Wikipedia-Artikels den Wert für g heraus! Welche Faktoren verursachen die Ortsabhängigkeit von g? Der Wert für die Schwerebeschleunigung beträgt ungefähr 9,81 m/s/s. Dieser Wert ist abhängig von der geografischen Breite eines Ortes, von der Höhe über dem Meeresspiegel und von der Dichte der Erdkruste. 6. Stelle die Achsenbeschriftung der y-achse auf Accelerometer, X und g ein. Überlege, warum jetzt bei dem am Tisch liegenden Handy der Wert 0 angezeigt wird! 7. Diskutiere mit deinen Klassenkameradinnen und -kameraden im Diskussionsforum, was die Einstellung Accelerometer, X bedeuten könnte! Betrachte dazu das Bild Achsenrichtungen aus dem Moodle Kurs! a. Accelerometer, X bedeutet, dass nur die Beschleunigung in die X-Richtung angezeigt wird. Liegt das Handy ruhig am Tisch, ist die X-Richtung parallel zur Tischoberfläche es wirkt daher in diese keine Beschleunigung und die Anzeige ist in diesem Fall 0! 2. Messung 1. Welche minimale und maximale Beschleunigung wurde gemessen? Gib auch an, nach wie vielen Sekunden diese Werte erreicht wurden. Die maximale Beschleunigung beträgt ca. 3,5g und wird nach 4,5 Sekunden erreicht. Die minimale Beschleunigung ist 0,8g und wird nach 8 Sekunden erreicht. Diese Werte sind abhängig von der Bewegung! 2. Schau dir das Video im Moodle Kurs mit dem Formel I Auto an und gib an, welche maximale Beschleunigung gemessen wurde! Vergleiche mit deinen Werten! Die maximale Beschleunigung im Formel I Auto beträgt 4,9g! S e i t e 6

7 LÖSUNGEN B) Beschleunigung während eines freien Falls 1. Sprung 1. Nach wie vielen Sekunden bist du abgesprungen, nach wie vielen Sekunden gelandet? Der Absprung erfolgte nach 6,5 Sekunden, die Landung nach 7,0 Sekunden. 2. Wie lange hat dein freier Fall vom Sessel gedauert? Der freie Fall hat ca. 0,5 Sekunden gedauert. 3. Welche Beschleunigung wurde nach der Landung angezeigt? Die Beschleunigung nach der Landung war 2,3g. 2. Sprung Zeichne einen zweiten Sprung vom Sessel auf. Bei diesem sollst du deine Landung allerdings nicht so gut abfedern wie beim ersten Sprung. Welche Beschleunigung wird jetzt nach der Landung angezeigt? Bei diesem Sprung beträgt die Beschleunigung nach der Landung 3,5g. Parabelflüge 1. Schau dir das Video im Moodle Kurs über die Parabelflüge an und beantworte folgende Fragen: a. Wofür werden die so gennannten Parabelflüge verwendet? Die Parabelflüge werden für wissenschaftliche Experimente und zum Testen von Raumfahrttechnologie verwendet. b. Wie lange herrscht während eines Flugmanövers Schwerelosigkeit? Im Flugzeug herrscht für eine Dauer von ca. 22 Sekunden Schwerelosigkeit. c. Analysiere die Grafik, die im Film nach 55 Sekunden sichtbar wird. Welche Beschleunigung tritt in den Phasen vor und nach der Schwerelosigkeit auf? Vor und nach der Phase der Schwerelosigkeit tritt eine Beschleunigung von ca. 1,8g auf. 2. Verwende die Homepage der Zero Gravity Cooperation um herauszufinden, wie viel ein Parabelflug kostet! Gib den Preis in Euro an! Die Kosten für einen Flug betragen $ plus 5% Steuer, also $ 5.197,50. Das sind umgerechnet rund S e i t e 7