imobile Physics: Experimente mit Smartphone, Tablet-PC & Co. im Physikunterricht

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Louisa Raske
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1 imobile Physics: Experimente mit Smartphone, Tablet-PC & Co. im Physikunterricht J. Kuhn TU Kaiserslautern, Fachbereich Physik/Didaktik der Physik 1

2 Inhaltsübersicht Ausgangspunkte und Grundgedanken Überblick zu Experimenten mit internen Sensoren in ausgewählten Themenbereichen der Physik Zusammenfassung (und Ausblick) 2

3 Ausgangspunkte und Grundgedanken 3

4 Ausgangspunkte und Grundgedanken Fachdidaktischer Aspekt: Mehrwert Vielfältige Einsatzmöglichkeiten Dokumentation Informationsrecherche Kommunikation Cognitive Tools Experimentiermittel Experimentiermöglichkeiten durch zahlreiche interne Sensoren Mikrofon Beschleunigungssensoren Feldstärkesensoren CCD-Chip (Kamera) GPS-Empfänger Gyroskop 4

5 imobile Physics 1 Konzeptionelle Entwicklung Entwicklung curricular valider Experimente mit neuen (Alltags-)Medien Integration der Experimente in ein Unterrichtskonzept 2 Empirische Prüfung Untersuchung des Lernprozesses beim Experimentieren mit neuen (Alltags-)Medien 5

6 Überblick zu Experimenten mit internen Sensoren in ausgewählten Themenbereichen der Physik 6

7 Experimente mit internen Sensoren Themenbereich AKUSTIK (PhD: M. Hirth) 7

8 Experimente mit dem Mikrofon Schallgeschwindigkeit Hirth et al. (2015). Phys. Teach. 53, Lit.-Wert (bei 20 C): c 343 m/s 8

9 Experimente mit dem Mikrofon Akustische Schwebung f W f + f 2 f = f f 1 2 = S 1 2 Kuhn et al. (2014). Phys. Teach. 52,

10 Experimente mit dem Mikrofon zahlreiche Einsatzmöglichkeiten im Themenbereich Akustik 10

11 Experimente mit dem Mikrofon Untersuchung der Schallarten Ton Klang Knall Geräusch 11

12 Experimente mit dem Mikrofon Untersuchung der Schallarten 12

13 Experimente mit dem Mikrofon Phänomen der Klangfarbe 13

14 Experimente mit dem Mikrofon Lärmschutz 14

15 Experimente mit dem Mikrofon Lärmschutz 15

16 Experimente mit Smartphone & Tablet-PC unter Verwendung des Mikrofons Weitere Experimenten zu folgenden Themen: Dopplereffekt Verschiedene Methoden zur c-bestimmung g-bestimmung 16

17 Experimente mit internen Sensoren Themenbereich MECHANIK (PhD: K. Hochberg, P. Klein) 17

18 Experimente mit den Beschleunigungssensoren Wie funktionieren solche Apps? y z g x Empfindliche Sensoren messen die Beschleunigungen in Richtung der eingezeichneten Achsen a x = 0 m/s 2 a y = -9,81 m/s 2 a z = 0 m/s 2 18

19 Experimente mit den Beschleunigungssensoren Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt? 1. Gang 2. Gang 3. Gang 4. Gang 5. Gang 19

20 Experimente mit den Beschleunigungssensoren Untersuchung von Pendelbewegungen Das Fadenpendel t = t 2 t 1 Vogt & Kuhn (2012). Phys. Teach. 50, T g 2 l 4π l = 2π g = g t2 t1 n m = ( 10, 25 ± 0,52) s² 2 20

21 Experimente mit den Beschleunigungssensoren oder auf der Kinderschaukel 21

22 Experimente mit den Beschleunigungssensoren Untersuchung von Pendelbewegungen Das Federpendel Dynamische Messung t = t 2 t 1 = 18,59 s 0,37 s = 18,22 s Kuhn & Vogt (2012). Phys. Teach. 50, T = D = m D D N ( 3,055 ± 0,003) m 2 4π m 2π = 2 t 2 t n 1 m iphone = 0,152 kg n = 13 22

23 Experimente mit den Beschleunigungssensoren oder im Aufzug Kuhn et al. (2014). Phys. Teach. 52,

24 Experimente mit den Beschleunigungssensoren Untersuchung des freien Falls zu Hause s 24

25 Experimente mit den Beschleunigungssensoren Untersuchung des freien Falls zu Hause s = 0,5 g t² t g = 2 s tt = (10,0 ± 0,2) m s² Vogt & Kuhn (2012). Phys. Teach. 50,

26 Experimente mit den Beschleunigungssensoren oder: Im Freizeitpark s = 0,5 g t² = 34,2 m Angabe des Betreibers: s = 36 m 26

27 Experimente mit der Kamera: Videoanalyse von Bewegungsvorgängen Warum hat ein Auto nicht die Form eines Muffinförmchens: c w -Wert mittels freier Fall mit Luftreibung Weiterbildung zusammen mit der ETH & DPK zu diesem Thema am Becker, Klein & Kuhn (2016). Phys. Teach. 54,

28 Experimente mit internen Sensoren Themenbereich ionisierende Strahlung (PhD: A. Molz) Kuhn, J., Frübis, J., Wilhelm, T. & Lück, S. (2013). Smarte Physik: iradioactivity Das Smartphone als Geigerzähler. Physik in unserer Zeit (PhiuZ) 44 (5), Molz, A., Kuhn, J., Gröber, S., Frübis, J. & Müller, A. (2014). iradioactivity Untersuchung radioaktiver Strahlung mit Smartphones & Tablet-PC. Naturwissenschaften im Unterricht (NiU) Physik 141/142 (2014), Molz, A., Klein, P., Gröber, S., Kuhn, J., Müller, A., & Frübis, J. (2014). Tablet-PCs als Experimentiermittel im Oberstufenunterricht Experimente aus Optik und Kernphysik. Praxis der Naturwissenschaften Physik in der Schule (PdN-PhiS) 63 (2014), Heft Nr. 6, Kuhn, J., Molz, A., Gröber, S. & Frübis, J. (2014). iradioactivity - Possibilities and Limitations for Using Smartphones and Tablet PCs as Radioactive Counters. Phys.. Teach. 52 (2014), Gröber, S., Molz, A. & Kuhn, J. (2014). Using smartphones and tablet PCs for β--spectroscopy in an educational experimental setup. Eur. J Phys. 35 (6),

29 Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera) Funktionsweise Aufgebaut aus Sensorzellen, die jeweils die einzelnen Bildpunkte (Pixel) des Fotos/Videos erzeugen. Sensorzelle: μm-große pn-diode I Kamerasensor = 0,15 A vergleichbar mit Halbleiterdetektor Halbleiterübergang ist strahlungsempfindlich beim Eintreffen der radioaktiven Strahlung wird weißes Pixel erzeugt. Vorbereitung: Kameralinse lichtdicht abdecken (z. B. mithilfe von Gewebeklebeband, auf der Linse fixierten schwarzem Kartonstreifen oder Alufolie) Erfassen von Strahlungspartikeln wird nicht durch einfallendes Licht verfälscht. Auslesen der Messdaten durch geeignete App (hier: RadioactivityCounter) 29

30 Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera) Abstandsgesetz: Theorie I = 0,15 A Zählrate n sinkt mit dem Quadrat des Abstandes (divergentes Strahlenbündel) 30

31 Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera) Abstandsgesetz (β-strahlung): Experimentaufbau I = 0,15 A Sr-90 Quelle Eisenfuß Halterung Al-Platte SGT 2 Spiegel 31

32 Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera) Abstandsgesetz (β-strahler): Experimentauswertung Zählrate n in min , , , , , , , ,00 0,00 I = 0,15 A Zählrate n in min ,00 800,00 700,00 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 SGT 2 R² = 0,9979 ipod R² = 0, ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 CASSY R² = 0,9995 r -2 in cm -2 Gamma-Scout R² = 0,9895 LB 123 R² = 0, ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 r -2 in cm -2 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 Zählrate n in min -1 S3 R² = 0,9287 0,00 0,0000 0,0500 0,1000 0,1500 0,2000 r -2 in cm -2 32

33 Tablet- Halterung (verschiebbar) Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera) Detektor (Kamera des Tablet-PCs) Spiegel (Ablesen von Messwerten auf dem Tablet-PC) Schutzkappe Stiftstrahler (abnehmbar) Stiftstrahler (Strontium-90) Halterung Absorber (abnehmbar) Messskala (Abstand Detektor-Strahler) 33

34 Experimente mit der Smartphone-Kamera (CCD-/CMOS-Sensor) Weitere Experimenten zu folgenden Gesetzmäßigkeiten möglich: Ablenkung im Magnetfeld Halbwertszeit (Zerfallsgesetz) Absorptionsgesetz 34

35 Mechanik s Experimente mit Smartphones Smartphone- Experimente: Themenübersicht Akustik Magnetismus Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung mit einem Elektromotor Genf Siegen Neue Experimente mit dem Smartphone Ionisierende Strahlung 12 Kuhn (2014) Am. J Phys. 82 (2014), 94. Kuhn & Vogt (2013) Phys. Teach. 51 (2013), Kuhn & Vogt (2015) NiU-Physik 26 (2015), Optik Kuhn et al. (2014) Phys. Teach. 52 (2014), Gröber et al. (2014) Eur.J Phys. 35 (6), Klein et al. (2014) Phys. Educ. 49 (4),

36 Zusammenfassung 36

37 Zusammenfassung Smartphones können auf vielfältige Weise im Physikunterricht zielführend eingesetzt werden Insbesondere: Kostenfreies und einfach zu bedienendes Messwerterfassungssystem mit unterschiedlichen internen Sensoren. Schülerinnen und Schüler sind mit den Geräten vertraut Erste Ergebnisse zur Lernwirkung von Smartphone-Experimenten positiv. Sensibilisierung der Lernenden für neue Perspektiven nur durch formelle Einbindung schwierig. Realitäts-/Alltagsbezug nur durch Einbringen des Mediums Smartphones/Tablet PC (im Mechanikunterricht) nicht erreichbar. Einbindung in das Physikstudium und in die Lehrerbildung. Unified Education: Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette 37

38 Experimente mit Smartphones Literaturhinweise 38

39 Experimente mit Smartphones 39

40 Experimente mit Smartphones 40

41 Kontakt: Web: 41

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