Sport und Physik. Dionysis Konstantinou Damjan Štrus

Transkript

1 Spor und Physik Dionysis Konsaninou Damjan Šrus

2 Spor und Physik 61 1 Zusammenfassung In dieser Lehreinhei sellen wir einige Beispiele vor, wie Schüler Smarphones für physikalische Videoanalysen unerschiedlicher physikalischer Ereignisse (Bewegungen) einsezen können. Man kann das Smarphone für die gesame Analyse nuzen, man kann es aber auch mi dem Freeware-Programm Tracker (oder einem ähnlichen Programm) kombinieren. Sichwörer: Tracker, Physik, Videoanalyse Fach: Physik (lineare Bewegungen und Kurvenbewegungen, Pendelbewegungen, Kollisionen) Alersgruppe der Schüler: Jahre Android-App: VidAnalysis (Veröffenlichung im Dezember 214) ios-apps: Adidas Snapsho, Video Physics von Vernier Zusäzliche Compuer-Sofware: Tracker 2 Vorsellung des Konzeps Die Schüler bereien einen Versuch vor oder beobachen ein Ereignis (siehe Beispiele unen), nehmen ein Video auf und imporieren es in eine App, die eine physikalische Analyse des ausgewählen Phänomens durchführen kann (Smarphone-App oder Tracker). Die Schüler bekommen folgende Aufgabensellung: Vergleich ihres heoreischen Wissens mi ihren eigenen Daen, die sie aus einem Echzeiexperimen oder -ereignis erhalen haben und/oder Ableiung eines physikalischen Gesezes. Dieses Projek is sehr gu für außerschulische Lernore geeigne (Exkursion, Klassenfahr, Sommercamp ec.), wenn die Schüler kein Unerrichsmaerial, sondern nur ihr Smarphone dabei haben. Sie können sogar während der Busfahr mi dem Smarphone lernen, sa nur Spiele zu spielen. 3 Aufgabe der Schüler Die Schüler müssen zunächs enscheiden, ob sie ein neues Video aufnehmen, ein bereis vorhandenes Video auf ihrem Smarphone auswählen oder ein kosenloses Video aus Sample Videos (E-Book, Beispiele aus Tracker oder einem ähnlichen Programm) auf ihr Smarphone laden möchen. Hier einige Beispiele physikalischer Experimene oder Ereignisse, die Schüler mi ihrem Smarphone aufnehmen können: schräger Baskeballwurf horizonaler Baskeballwurf freier Fall und verikaler Wurf eines Baskeballs Beschleunigung eines Radfahrers auf horizonaler Ebene (in verschiedenen Gängen) freie Beschleunigung eines Radfahrers (oder Tennisballs) bergab harmonische oder gedämpfe Schwingungen einer Feder Lauf der Spize des Sekundenzeigers einer Uhr Fahr eines Auos in einem Kreisverkehr elasische und inelasische Kollisionen in einer Lufförderrinne Im gleichnamigen ibook isage 2 sind einige Beispielvideos, die unsere Schüler während ihrer Projekarbei aufgenommen haben, zu finden. Wenn die Schüler Bewegungen aufnehmen, müssen sie auf einige wichige Fakoren achen. Wir erklären unsere Tipps anhand des Beispiels eines schrägen Baskeballwurfs. ǌ ǌabb.1 Screensho des Videos von einem schrägen Baskeballwurf Während der Aufnahme müssen die Schüler ihre Smarphones ruhig halen. Sie sollen die Kamera nich bewegen, da die Analyse von einer fixen Kameraposiion ausgeh. Auch muss die Bewegungsebene parallel zur Ebene der Kameralinse bleiben. Das bewege Objek solle ewa in einer Ebene bleiben, die sich im rechen Winkel zur Sichrichung befinde. Das Video muss aus kleinsmöglichem Absand aufgenommen werden, doch der gesame Bewegungsablauf muss sichbar sein. Hier bedeue dies, dass der Baskeball nich an der Spize der Parabel aus dem Bild verschwinden darf. Die Schüler müssen eine eche Dimension des bewegen Objeks messen, um den Maßsab des Videos zu besimmen. In unserem Beispiel haben wir dazu den Durchmesser des Baskeballs genommen. Während der Aufnahme sollen die Schüler für eine möglichs hohe Bildqualiä auf die Lichverhälnisse achen. Nach der Aufnahme und dem Impor des Videos in die App sollen die Schüler eine physikalische Analyse des ausgewählen Phänomens durchführen. Zur Durchführung der Videoanalyse

3 62 Spor und Physik können die Schüler eine der o. g. Apps, Tracker oder ein ähnliches Programm verwenden. Eine vollsändige Anleiung zum Gebrauch von Tracker is in der isage 1 Broschüre uner www. science-on-sage.de/isage1-download zu finden. Haupzweck der Analyse is das Ersellen von Graphen wie x(), y(), y(x), v x (), v y (), v(), E kin (), E po (y) ec. Die Schüler nuzen diese Funkionen zur Ableiung weierer experimeneller Daen, die sie mi einer Theorie vergleichen und für weiere Berechnungen verwenden können. Im Folgenden einige Ergebnisse (Graphen) und Tipps zum ausgewählen Beispiel (schräger Baskeballwurf): ABB.2 Graph x() zum schrägen Wurf x In Graph 1 sieh man, dass v x konsan is; auf der x-achse is die Einhei Meer, auf der -Achse Sekunden. Uner diesem Graphen seh die Gleichung zur Anpassung (x = a + b) und das Programm liefer uns den Wer der Beschleunigung des Balls in horizonaler Richung (Parameer a): v x = 4,3 m/s. Weiere Aufgaben für die Schüler: Umrechnung dieses Wers in km/h und mph. Auswahl zweier Punke auf der Linie, Berechnung der Seigung und Vergleich mi dem v x -Wer. ABB.3 Graph y() zum schrägen Wurf Auf der y-achse is die Einhei Meer, auf der -Achse Sekunden. Die Seigung der Tangene der Parabel zeig die Geschwindigkei unseres Balls. Das Vorzeichen der Seigung änder sich, da sich die verikale Richung des Balls änder. Der Ball erreich den höchsen Punk am Scheiel, wo die Seigung der Tangene null beräg. Weiere Aufgaben für die Schüler: 1. Mahemaische Gleichung für die Parabel aufsellen. Physikalische Gleichung für den Weg des Balls bei schrägem Wurf aufsellen. Überlegen, welche Informaionen man aus den Parameern der Parabel ziehen kann. ABB. 3 zeig den asächlichen Weg des Balls. Die Kurve is eine Parabel und die Smarphone-App oder Tracker ermöglichen das Anpassen des Weges und die Ermilung der Parabel parameer. 2. Die Schüler sollen basierend auf den Graphen in ABB. 2 und 3 vier weiere Graphen zeichnen, bevor sie sich die Lösung ansehen: ABB.4 Graph y(x) zum schrägen Wurf y Graph v x () und v y () Graph a x () und a y () ball (, y) x y ball (, y) ABB. 5 zeig die Veränderung der Geschwindigkei in der verikalen Dimension während des Wurfs; auf der v y -Achse is die Einhei Meer pro Sekunde, auf der -Achse Sekunden. 3. Zwei Punke auf der Linie auswählen und die Seigung der Linie berechnen. Bei der Berechnung die richigen Einheien benuzen Uner dem Graphen seh die Gleichung zur Anpassung (v y = a +b). Vergleich der berechneen Seigung mi dem Parameer a zum Erhal der Beschleunigung der Bewegung. In diesem Fall: a = -1,7 m/s 2 (solle -g sein).

4 Spor und Physik 63 ABB.5 Graph der Veränderung der Geschwindigkei in der verikalen Dimension während des Wurfs Vy Schnipunk der Linie mi der verikalen Achse ablesen (v y ). Man erhäl die Anfangsgeschwindigkei des Balls in verikaler Richung (Parameer b = v y = 6,4 m/s). Mi der Gleichung zur Anpassung wird die Zei berechne, die der Ball benöig, um aufzuseigen, v y =a +b. In diesem Fall: =,6 s. Mi den vorherigen Daen wird der Höchspunk des Balls bei schrägem Wurf berechne. In diesem Fall: h max = 1,9 m. Die Berechnung läss sich in ABB. 3 überprüfen. Welche Informaion erhäl man, wenn man die Fläche zwischen den Linien dieses Graphen und der -Achse berechne? Berechnung der Größe dieser Fläche (die richigen Einheien verwenden). Abschließend noch einige Anmerkungen zu VidAnalysis, einer mobilen App für das Android-Beriebssysem, enwickel 214 von Richard Sadek (Veröffenlichung in Dezember 214). Der Gebrauch dieser App in einer frühen Phase ermöglich den Schülern, ewas über die Grundlagen der physikalischen Analyse dynamischer Phänomene zu lernen. Der Berieb der App ähnel dem der zuvor beschriebenen Hilfsmiel. Zu Beginn muss ein physikalisches Phänomen aufgenommen, das Video in die App imporier und die ypische Länge des Phänomens im Video besimm werden. Die größe Herausforderung is erneu die möglichs genaue Besimmung der Posiion eines bewegen Objeks. Das is ein großes Problem, da es sehr schwierig is, auf einem Smarphone-Display ein beweges Objek präzise mi dem Finger anzuippen. Danach zeig die App sofor eine graphische Analyse von x(), y() und y(x). 4 Opion zur Kooperaion Sie können eine Kooperaion zwischen unerschiedlichen Schulen organisieren. Die Schüler der einen Schule bereien einen Versuch vor, nehmen ein Video auf und schicken es an die Schüler der anderen Schule, die es in Tracker analysieren und einen Berich schreiben (und umgekehr). Während der Kooperaion können sich die Schüler per Videokonferenz über Skype, Viber oder ein anderes Tool über ihre Erfahrungen ausauschen. 5 Fazi Die Schüler können eine physikalische Theorie mi Hilfe ihrer eigenen Experimene und anhand von Siuaionen aus dem echen Leben esen. Sie sezen ihr eigenes Smarphone als Messgerä ein. Auch zur Analyse nuzen sie ihr Smarphone oder per Mausklick ihren Compuer beides sind heuzuage die Lieblingshilfsmiel/-spielzeuge der Schüler. Wenn die Ergebnisse ihres Versuchs zur Theorie passen, is das für sie eine Besäigung. Wenn die Ergebnisse nich passen, können sie über die Gründe dafür nachdenken (ein möglicher Grund is z. B. der Lufwidersand; sie können das Experimen uner anderen Bedingungen wiederholen). Durch Auswahl und Analyse eines angemessenen Experimens können die Schüler ein physikalisches Gesez formulieren. 6 Persönliche Erfahrung Die Schüler lernen oder prüfen die Aufnahme nüzlicher Videos, lernen den Gebrauch von Video-Analyse-Tools und denken bei Diskrepanzen zwischen Theorie und Praxis über die Gründe nach.

5 isage 2 - Smarphones im naurwissenschaflichen Unerrich Impressum Ennommen aus isage 2 - Smarphones im naurwissenschaflichen Unerrich erhällich in Deusch und Englisch Herausgeber Science on Sage Deuschland e.v. Possraße 4/ Berlin Revision und Übersezung TransForm Gesellschaf für Sprachen- und Mediendiense mbh Tex- und Bildnachweise Die Auoren haben die Bildreche für die Verwendung in dieser Publikaion nach besem Wissen geprüf und sind für den Inhal ihrer Texe veranworlich. Gesalung WEBERSUPIRAN.berlin Illusraion acke aelier für kommunikaion Besellungen info@science-on-sage.de Zur besseren Lesbarkei wurde auf die Verwendung der weiblichen Form verziche. Mi der männlichen Form is auch ses die weibliche Form gemein. Creaive-Commons-License: Aribuion Non-Commercial Share Alike Science on Sage The European Nework for Science Teachers is ein Nezwerk von Lehrkräfen für Lehrkräfe aller Schularen, die Mahemaik, Informaik, Naurwissenschafen und Technik (MINT) unerrichen. biee eine Plaform für den europaweien Ausausch anregender Ideen und Konzepe für den Unerrich. sorg dafür, dass MINT im schulischen und öffenlichen Rampenlich seh. Science on Sage Deuschland e.v. wird maßgeblich geförder von hink ING., der Iniiaive für den Ingenieurnachwuchs des Arbeigeberverbandes GESAMTMETALL. Machen Sie mi! Newsleer: Science on Sage Deuschland is Miglied in Science on Sage Europe e.v Auflage 214 Science on Sage Deuschland e.v. HAUPTFÖRDERER von science on sage deuschland Ermöglich durch