Einsatzmöglichkeiten von Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel im Physikunterricht. Patrik Vogt.

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1 Einsatzmöglichkeiten von Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel im Physikunterricht Patrik Vogt Inhaltsübersicht Gründe für den Einsatz von Handys und Smartphones in Unterricht und Lehrerbildung Experimente mit Handys: g-bestimmung Experimente mit Smartphones: freier Fall, Schallarten, magnetische Flussdichte einer Spule, Videoanalyse, Zusammenfassung und Ausblick: Untersuchung der Wirksamkeit von Smartphone- Experimenten Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 1

2 Ausgangspunkte und Grundgedanken Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Ausgangspunkte und Grundgedanken Fachdidaktischer Aspekt: Mehrwert für den Unterricht Vielfältige Einsatzmöglichkeiten Dokumentation Informationsrecherche Kommunikation Cognitive Tools Experimentiermittel Vielfältige Experimentiermöglichkeiten durch zahlreiche Sensoren Mikrofon Feldstärkesensoren CCD-Chip (Videoanalyse) GPS-Empfänger Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel

3 Ausgangspunkte und Grundgedanken Lernpsychologischer Aspekt: Kontextorientiertes (Situiertes Lernen) Thematische Situierung ( Authentizität ) Episodische Situierung ( episodisches Gedächtnis, Primärerfahrungen, Lernerlebnis, situatives Interesse) Soziale Situierung ( communities of learning ) Materiale Situierung: Authentizität der experimentell verwendeten Medien Sind Experimente mit authentischen Experimentiermaterialien wirksamer als solche mit Standardgeräten? Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit konventionellen Handys ein Beispiel Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 3

4 Experimente mit konventionellen Handys Bestimmung der Erdbeschleunigung Handy emittiert Ton konstanter Frequenz Mikrofon registriert dopplerverschobenen Ton Dopplerverschiebung nimmt mit der Fallgeschwindigkeit und somit mit der Fallzeit zu f v f0 c f0 g c Geradensteigung t Quelle: VOGT, P., KUHN, J. & MÜLLER, S. (011). Experiments Using Cell Phones in Physics Classroom Education: The Computer Aided g-determination. In: The Physics Teacher 49, S Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit konventionellen Handys Bestimmung der Erdbeschleunigung 60 Frequenzänderung in Hz Lineare Regression: m = 115,0 s -, m =,4 s - m c m Ergebnis: g 9,8 0, f Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 0 0 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0 s Zeit in s 4

5 Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 5

6 Wie funktionieren solche Apps? y z x a g x = 0 m/s a y = -9,81 m/s a z = 0 m/s Empfindliche Sensoren messen die Beschleunigungen in Richtung der eingezeichneten Achsen Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Wie funktionieren solche Apps? y z g x a x = sin( ) g a y = -cos( ) g a z = 0 m/s Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 6

7 Beschleunigung an der schiefen Ebene Berechnung des Winkels a arcsin g,51 arcsin 14,8 9,81 Mit Geodreieck gemessen = 15 Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Beschleunigung an der schiefen Ebene Berechnung des Winkels sin sin 1 1 a g 5,53 34,3 9,81 Mit Geodreieck gemessen = 35 Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 7

8 Beschleunigung an der schiefen Ebene 10,0 8,0 a in m/s 6,0 4,0 a = 9,80 ms - sin( ) R = 0,9995,0 0,0 0,0 0, 0,4 0,6 0,8 1,0 1, sin(alpha) Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Und wie funktionieren die überhaupt? Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 8

9 Untersuchung des freien Falls zu Hause Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Untersuchung des freien Falls zu Hause t = 0,56 s, s = 1,575 m s m g 10,0 0, t s t Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 9

10 Untersuchung des freien Falls zu Hause t t = 0,56 s, s = 1,575 m s m g 10,0 0, t s Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel oder im Freefall-Tower Strecke des freien Falls t =,78 s s 1 gt 37,9 m Auskunft des Betreibers s = 36,3 m Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 10

11 Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt? Beschleunigungsphasen mit abnehmender Beschleunigung Kurze Verzögerungsphasen mit betragsmäßig zunehmenden Beschleunigungen Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt? 1. Gang. Gang 3. Gang 4. Gang Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 11

12 Untersuchung von Pendelbewegungen Das Federpendel im Physiksaal Statische Messung Dynamische Messung t = t t 1 = 18,59 s 0,37 s = 18, s F D x N F 3,0 x, R m N D 3,0 0,0 m adj. 0,999 Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Untersuchung von Pendelbewegungen Das Federpendel im Physiksaal Statische Messung Dynamische Messung t = t t 1 = 18,59 s 0,37 s = 18, s F D x N F 3,0 x, R m N D 3,0 0,0 m adj. 0,999 m 4 m T D D t t1 n N D 3,055 0,003 m m iphone = 0,15 kg n = 13 Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 1

13 oder im Aufzug L 0 L E A D L m T D D Federkonstante E Elastizitätsmodul A Querschnittsfläche L Seillänge T Periodendauer m Masse T L L n h n Etage (von oben) L 0 h Höhe eines Stockwerks L 0 Seillänge im obersten Stock Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel oder im Aufzug h 3 m, L 0 0,5 m Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 13

14 Quadrat der Periodendauer in s 0,1 0,08 0,06 0,04 0,0 oder im Aufzug s T 0,0019 L 0,06 s m Radj. 0, geschätzte Seillänge in m Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel zahlreiche weitere Experimente möglich! Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 14

15 Experimente mit Smartphones unter Verwendung des Mikrofons Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon zahlreiche Einsatzmöglichkeiten im Themenbereich Akustik Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 15

16 Mikrofon Untersuchung der Schallarten Ton Klang Knall Geräusch Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon Untersuchung der Schallarten Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 16

17 Mikrofon Phänomen der Klangfarbe Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon Akustische Messung an springenden Bällen Quelle: Schwarz, O. & Vogt, P.: Akustische Messungen an springenden Bällen. In: PdN-PhiS. 3/53 (004), S. -5 Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 17

18 Mikrofon v0 t H g t t H Steig- bzw. Fallzeit zwischen zwei Aufschlägen Zeit zwischen zwei Aufschlägen Restitutionskoeffizient E k E kin kin1 v v 0 01 t t H H 1 1 t t t 1 t Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon v0 t H g t t H Steig- bzw. Fallzeit zwischen zwei Aufschlägen Zeit zwischen zwei Aufschlägen Restitutionskoeffizient E k E kin kin1 v v 0 01 t t H H 1 1 t t h k h1 1 h k h1 h gt g t 0,5 t T Aufschlagzeiten berechneter g-wert in m/s t 1 = 0,48 s; t = 0,955 s; t 3 = 1,617 s 9,8 t 1 = 0,01 s, t Folie = 0,898 s, t Patrik Vogt 3 = 1,549 s 10,06 Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel t 1 = 0,19 s, t = 0,830 s, t 3 = 1,479 s 9,77 h 1 h = k h 1 18

19 Mikrofon Geschwindigkeit geschlagener und geschossener Bälle s Bestimmung der Flugzeit t durch akustische Messung! t v s t Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon zahlreiche weitere Experimente möglich! Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 19

20 Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Feldstärkesensoren Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Feldstärkesensor Magnetischer Fluss einer Spule I Stromstärkeabhängigkeit N = 300 Magnetische Flussdichte in Mikrotesla Stromstärke in A Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 0

21 Mikrofon Magnetischer Fluss einer Spule II Abhängigkeit von der Windungszahl I = 0,15 A Magnetische Flussdichte in Mikrotesla Windungszahl Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Videoanalyse Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 1

22 Videoanalyse mit dem Smartphone Untersuchung des freien Falls I = 0,15 A Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit Smartphones unter Verwendung des GPS-Empfängers Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel

23 GPS-Empfänger I = 0,15 A Quelle: Gabriel, P. & Backhaus, U. (eingereicht). Kinematics with the assistance of Smart Phones: Measuring Data via GPS Visualizing Data with Google Earth. In: The Physics Teacher Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Literaturhinweise Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 3

24 Smartphone Literaturhinweise Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Smartphone Literaturhinweise Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 4

25 Smartphone Literaturhinweise Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Zusammenfassung und Ausblick Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 5

26 Zusammenfassung und Ausblick Smartphones und Tablets können auf vielfältige Weise in Physikunterricht und -lehrerbildung eingesetzt werden Insbesondere: Kostenfreies und einfach zu bedienendes Messwerterfassungssystem mit unterschiedlichen Sensoren Messbare Größen jedoch stark begrenzt Entwicklung externer Low-Cost-Sensoren (Temperatur, Spannung, ) Schülerinnen und Schüler sind mit den Geräten vertraut; hohe Authentizität des Experimentiermediums Untersuchung des Lernprozesses beim Experimentieren mit Smartphones Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Zusammenfassung und Ausblick Akustische Phänomene: Pilotstudiendesign Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 6

27 Folie Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 7