Einführung in die Videoanalyse

Transkript

1 Einführung in die Videoanalyse Lehrveranstaltung an der Pädagogischen Hochschule Freiburg Inhalt Folien des Impulsvortrages Arbeitsaufträge

2 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Bewegungen zum Einstieg Aufgaben Zum Einstieg sollen Sie entscheiden, ob es sich bei den in den Videos zu sehenden Bewegungen um positiv beschleunigte, negativ beschleunigte oder gleichförmige Bewegungen handelt. Stellen Sie hierzu die Bewegungsdiagramme für jedes Video dar. Erzeugen Sie für jede Bewegung ein Stroboskopbild (auf geeignete Bildrate achten!). Anlagen Ball1.avi Ball2.avi Ball3.avi

3 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Freier Fall Aufgaben a) Analysieren Sie das Video FreiFall.avi und erzeugen Sie das a(t)-, v(t)- sowie s(t)- Diagramm. b) Bestimmen Sie die Erdbeschleunigung g (durch Bestimmung des Mittelwerts der Einzelmessungen oder über eine Regressionsanalyse des v(t)-zusammenhangs). c) Stellen Sie den Fall in einem Stroboskopbild dar. Anlagen FreiFall.avi

4 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Freier Fall mit Reibung Aufgaben Analysieren Sie den Fall des Luftballons anhand der Datei Luftballon_blau.avi. Stellen Sie die Bewegungsdiagramme sowie ein Stroboskopbild dar und bestimmen Sie die Endgeschwindigkeit des Ballons. Anlagen Luftballon_blau.avi M. Suleder (2010). Videoanalyse und Physikunterricht. Technik Didaktik Unterrichtspraxis. Aulis Verlag: Hallbergmoos, S

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7 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Weitsprung Aufgaben: Analysieren Sie den auf dem Video Weitsprung.avi zu sehenden Sprung. Wie groß sind die Absprunggeschwindigkeit, der Absprungwinkel sowie die Sprungweite? Berechnen Sie die Sprungweite auf Basis des Absprungwinkels und der Absprunggeschwindigkeit. Stimmt Ihr Ergebnis mit der Messung aus Aufgabe a) überein? Erstellen Sie ein Stroboskopbild des Sprungs. Anlagen Weitsprung.avi

8 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Vergleich der Flugbahnen von Basket- und Federball Aufgabe 1: Bahnkurven In den Videos basketball.avi und federball.avi sind die zu untersuchenden Wurfbewegungen zu sehen. a) Analysieren Sie die Bahnkurven mit der Videoanalysesoftware und skizzieren Sie diese. b) Können Sie Unterschiede zwischen der Bahnkurve von Basketball und Federball feststellen? Wenn ja, beschreiben Sie bitte den Unterschied und versuchen Sie, eine Erklärung dafür zu geben. Aufgabe 2: Bewegungsdiagramme a) Betrachten Sie das Weg-Zeit-Diagramm, das Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm und das Beschleunigungs-Zeit-Diagramm in y-richtung. Sie sehen, dass die Kurven aus einzelnen Messpunkten bestehen und wegen Messfehlern auch Unstetigkeiten aufweisen. b) Skizzieren Sie die Kurven so, wie Sie Ihrer Meinung nach idealerweise aussehen müssten, d. h. durchgezogen und ohne Messabweichungen.

9 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse c) Charakterisieren Sie die Bewegung von Basketball und Federball in y-richtung durch ein Kreuz in der folgenden Tabelle: Anlagen federball.avi basketball.avi

10 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Schiefe Ebene Aufgaben a) Analysieren Sie das Video SchiefeEbene.avi und stellen Sie die Geschwindigkeit (in Richtung der schiefen Ebene) grafisch dar. b) Berechnen Sie die mittlere Beschleunigung in Richtung der schiefen Ebene. c) Bestimmen Sie aus der mittleren Beschleunigung den Anstellwinkel der schiefen Ebene und vergleichen Sie Ihr Ergebnis mit einer im Video vorgenommenen Winkelmessung. d) Stellen Sie den Rollvorgang in einem Stroboskopbild dar. Anlagen SchiefeEbene.avi M. Suleder (2010). Videoanalyse und Physikunterricht. Technik Didaktik Unterrichtspraxis. Aulis Verlag: Hallbergmoos, S

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13 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Aufgabe 1: Brachistochrone Brachistochrone und Tautochrone a) Analysieren Sie das Video brachistochrone.avi und stellen Sie für beide Kugeln das y(t)- Diagramm dar. b) Welche Geschwindigkeiten haben die beiden Kugeln am Ende der jeweiligen Kugelbahn? c) Erstellen Sie ein Stroboskopbild (gleichzeitig für beide Kugeln), welches endet, sobald die schnellere Kugel das Ende der Kugelbahn erreicht (geeignete Bildrate nutzen!). Aufgabe 2: Tautochrone a) Stellen Sie das y(t)-diagramm für beide Kugeln dar. Legen Sie hierzu den Koordinatenursprung in den tiefsten Punkt der Kugelbahn. b) Erstellen Sie ein Stroboskopbild der Bewegung (geeignete Bildrate nutzen!). Anlage brachistochrone.avi tautochrone.avi M. Suleder (2010). Videoanalyse und Physikunterricht. Technik Didaktik Unterrichtspraxis. Aulis Verlag: Hallbergmoos, S

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16 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Stabhochsprung Aufgaben a) Analysieren Sie die Bewegung des Körperschwerpunkts der Stabhochspringerin (Video Stabhochsprung_Energiediagramme.avi). b) Schätzen Sie die Körpergröße sowie die Masse der Athletin ab und stellen Sie die kinetische, die potentielle sowie die Summe der beiden Energieformen grafisch dar. Interpretieren Sie das Diagramm. c) Die Stabhochspringerin hat zu Beginn der Bewegung bereits näherungsweise ihre maximale Anlaufgeschwindigkeit erreicht; warum ist die Summe der Energien dennoch nicht konstant? d) Erstellen Sie ein Stroboskopbild des Sprungs. Anlagen Stabhochsprung_Energiediagramme.avi

17 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Aufgabe 1: Elastischer Stoß Stoßprozesse Analysieren Sie das Video Stoss_Elastisch.avi und stellen Sie für beide Wagen das v x (t)- Diagramm dar. Können Sie den Energie- und Impulserhaltungssatz bestätigen? Aufgabe 2: Unelastischer Stoß Analysieren Sie das Video Stoss_Inelastisch.avi und stellen Sie für den stoßenden Wagen das v x (t)-diagramm dar. Können Sie bestätigen, dass die Geschwindigkeit des Wagens durch den Stoß näherungsweise halbiert wird? Aufgabe 3: Explosion a) Analysieren Sie das Video Explosionsstart.avi und stellen Sie für beide Wagen das v x (t)- Diagramm dar. b) Erstellen Sie ein Streifenbild entsprechend Abb. 1c der Anlage. Anlagen Stoß_Elastisch.avi Stoß_Inelastisch.avi Explosionsstart.avi M. Suleder (2010). Videoanalyse und Physikunterricht. Technik Didaktik Unterrichtspraxis. Aulis Verlag: Hallbergmoos, S

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21 Federpendel M. Suleder Videoanalyse und Physikunterricht Bildanalyse Öffne das Bild "Federpendel.jpg" mit der Analysesoftware. Die gelbe Stahlkugel hat eine Masse m von 134 g. Aufgabe 1 Bestimmung der Federkonstanten Das Bild zeigt die Feder mit und ohne Pendelkörper in Ruhe. Bestimme mit Hilfe des Maßstabs die beiden Federlängen und daraus die Federkonstante D. Videoanalyse Öffne das Video "Federpendel.avi" mit der Analysesoftware. Aufgabe 2 Skalierung und Festlegung des Nullpunktes Lege zunächst den Maßstab mit Hilfe des im Videoclip eingeblendeten Lineals fest. Wähle dann das Koordinatensystem so, dass der Nullpunkt in der Ruhelage des Pendelkörpers (gelbe Kugel) liegt. Begrenze den Arbeitsbereich in der Zeitleiste zunächst etwa auf die ersten 10 Sekunden (das entspricht 120 Frames). In dieser Zeit sind Reibungseinflüsse vernachlässigbar. Aufgabe 3 Bestimmung der Periodendauer Bestimme mit Hilfe der Zeitleiste die Periodendauer des Pendels. Benutze dabei die Möglichkeit, in Einzelschritten vor und zurück zu navigieren. Ist es sinnvoll, von einem Nulldurchgang zum nächsten zu messen? Finde ein genaueres Verfahren! Aufgabe 4 Berechnung der Periodendauer Vergleiche die gemessene Periodendauer mit der theoretisch zu erwartenden Periodendauer (verwende m und D aus Aufgabe 1).

22 M. Suleder Videoanalyse und Physikunterricht Aufgabe 5 Bestimmung der Amplitude Bestimme mit Hilfe der Funktion "Längenmessung" die Amplitude zu Beginn der Pendelschwingung. Aufgabe 6 Ort, Geschwindigkeit und Beschleunigung Stelle die Gleichungen für das Zeit-Ort-Gesetz, das Zeit-Geschwindigkeit-Gesetz und das Zeit-Beschleunigung-Gesetz des Pendels auf unter der Annahme, dass es sich um einen harmonischen Schwinger handelt. Führe dann die Videoanalyse der Bewegung (gelbe Kugel) durch und vergleiche die entsprechenden Diagramme mit deinen Gleichungen für y(t), v y (t) und a y (t). Markiere nun den gesamten Bereich der Zeitleiste und führe eine Videoanalyse für die Bewegung der gelben Kugel in allen Bildern des Videoclips durch. Aufgabe 7 Dämpfung des Pendels Durch Reibung nimmt die Amplitude des Pendels stetig ab, bis es schließlich zur Ruhe kommt. Betrachte das gesamte y(t)-diagramm und versuche, die Amplitudenabnahme zunächst qualitativ (in Worten), dann quantitativ (durch eine "einhüllende" Funktion) zu beschreiben. Aufgabe 8 Amplitude und Periodendauer Erstaunlicherweise hängt die Periodendauer eines harmonischen Schwingers nicht von der Amplitude ab. Überprüfe dies durch eine Messung der Periodendauer wie in Aufgabe 3, jedoch bei kleinerer Amplitude.

23 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Aufgabe 1: Loopingbedingung Kreisbewegung am Beispiel des Loopings In den beiden Videos looping.avi und looping_sturz.avi wird eine Kugel der Masse m = 22 g links oben in der Loopingbahn losgelassen und soll den Looping ohne Absturz durchlaufen. Der Durchmesser des Loopings beträgt 2r = 27 cm. Argumentieren Sie zunächst nur mit der kinetischen und der potentiellen Energie. a) Begründen Sie mit Hilfe des EES, warum es nicht genügt, die Kugel auf Höhe des oberen Loopingpunktes loszulassen. b) Wie lautet die Bedingung für die Mindestgeschwindigkeit, welche die Kugel im obersten Loopingpunkt mindestens haben muss, um nicht abzustürzen? c) Stellen Sie den Energiesatz auf (Energien im Startpunkt vs. Energien im höchsten Loopingpunkt) und ermitteln Sie daraus die Loopingbedingung, d. h. die Mindesthöhe h des Startpunkts. (Betrachten Sie die Kugel als Massenpunkt.) d) Welche Rolle spielt die Masse der Kugel? e) Lässt man die Kugel von der berechneten Starthöhe aus starten, so gelingt es ihr nicht, den Looping zu durchlaufen (vgl. looping_sturz.avi). Welche Energieformen bzw. welche physikalischen Phänomene, die Sie bei der Herleitung der Loopingbedingung nicht berücksichtigt haben, könnten bei der Loopingbahn noch beteiligt gewesen sein und dafür gesorgt haben, dass der Startpunkt höher angesetzt werden muss? f) Welche Geschwindigkeiten hat die Kugel jeweils am tiefsten Punkt des Loopings? Entsprechen die Geschwindigkeiten näherungsweise denen, die man über eine Energiebetrachtung erwarten würde? g) Erstellen Sie mit dem Videoanalyseprogramm ein Stroboskopbild bzw. ein Bild der Objektspur für beide Videos. Aufgabe 2 Achterbahn Typhoon in Bobbejaanland, Belgien Öffnen Sie das Bild typhoon_modell.jpg mit dem Analyseprogramm. Führen Sie zunächst eine Skalierung anhand der Loopinghöhe durch. Beachten Sie dabei den tiefsten Punkt der Loopingbahn er liegt nicht auf Bodenniveau! Überprüfen Sie dann die Loopingbedingung, indem Sie die Höhe der Startrampe messen. a) Warum sollte das Bild für Teilaufgabe a) möglichst genau von der Seite aufgenommen sein? b) Welche Rolle spielt die Neigung der Startrampe für die Loopingbedingung? c) Um die Fahrgäste vor Verletzungen zu schützen, sind die Loopings von echten Achterbahnen nie genau kreisförmig, wie in unserem Modell aus Aufgabe 1. Warum ist das so? Anlagen looping.avi looping_sturz.avi typhoon_foto.jpg typhoon_modell.jpg

24 Spezielle Themen der Fachdidaktik Einführung in die Videoanalyse Maxwellrad Aufgaben: Die Masse des Rads beträgt 470 g, der Achsenradius 3 mm und der Radradius 13 cm. Können Sie durch Analyse des Videos bestätigen, dass das Trägheitsmoment des Rades 10 kg cm 2 beträgt? Analysieren Sie zur Beantwortung der Frage das Video Maxwellrad.avi. Erzeugen Sie zusätzlich ein Streifenbild der Radbewegung. Anlagen Maxwellrad.avi M. Suleder (2010). Videoanalyse und Physikunterricht. Technik Didaktik Unterrichtspraxis. Aulis Verlag: Hallbergmoos, S

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