Computergestützte Videoanalyse physikalischer Vorgänge

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1 Computergestützte Videoanalyse physikalischer Vorgänge Erprobung des Systems AVA Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung der ersten Staatsprüfung für das Lehramt am Gymnasium Universität Leipzig Fakultät für Physik und Geowissenschaften Bereich Didaktik der Physik vorgelegt von: Susann Friedemann geboren am: Gutachter: Prof. Dr. Wolfgang Oehme Betreuer: Dr. Peter Rieger Leipzig, den

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung 1 1. Kapitel Computergestützte Videoanalyse im Physikunterricht Neue Medien im Physikunterricht Videoanalyse im Physikunterricht Der Computer als modernes und vielseitiges Medium im Physikunterricht Computergestützte Videoanalyse - ein Überblick 6 2. Kapitel - Die Auswahl einer geeigneten Videokamera Speichermedien und Auflösung Charakterisierung der Camcorder nach weiteren Parametern 9 3. Kapitel - Die Handhabung der Videobearbeitung Das Videoschneideprogramm installieren Das Video auf den Computer übertragen Das Video schneiden Das geschnittene Video auf dem Computer speichern Videoclips für AVA vom MPEG1- ins AVI-Format konvertieren Kapitel - AVA Einführung in AVA Justieren der Längen im Video Optionen für die Messwerttabelle und die Graphen Speichern der eingestellten Parameter in AVA Kapitel - Auswertung von AVAs Graphen und Tabellen Analyse des Demovideos von AVA Korrektur der Fehler des Demovideos am Beispiel eines eigenen Fadenpendelvideos Datenexport von AVA nach Excel Exportieren der Messwerte nach OpenOffice.org Cal (Version 2.1) Exportieren der Messwerte nach Origin (Version 6.1) Exportieren der Messwerte nach PAKMA

3 5.7 AVAs Messwerte und Graphen Diskussion der Messgenauigkeit von AVA Kapitel - AVA und PAKMA Dateiformate für PAKMA Einlesen der Wertetabellen in PAKMA Diskussion von Abweichungen zwischen Realität und Modell 52 Zusammenfassung 57

4 5.7 AVAs Messwerte und Graphen Das Video zeigt den schrägen Wurf, der mit einer Wurfmaschine durchgeführt wurde. Für die Analyse wurde das Video mit dem Abwurfwinkel von 45 verwendet. Zunächst wird die Datei swurf45grad(43).avi in AVA geladen und die Videoanalyse, wie im Kapitel vier beschrieben, gestartet. Sie ergibt folgende Bahnkurve. Abb.16 Schräger Wurf in AVA analysiert Die Messwerte werden, wie im Kapitel 5.3 beschrieben, nach Excel exportiert. Im folgenden Screenshot der Exceloberfläche stellen die schwarzen Ziffern die Messwerte dar, die mit AVA analysiert und nach Excel exportiert wurden. AVA bestimmt die Zeitkoordinate durch die Nummer des jeweiligen Frames und den äquidistanten Abstand zwischen den Bildern von 0,04 Sekunden (Spalte A). Die x- und y-koordinaten (Spalten B und C) ergeben sich aus der Position des Objekts im Bild und der zuvor vorgenommenen Justierung der Länge und der Festlegung des Koordinatenursprungs. Nun soll festgestellt werden, wie AVA die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen, des Objekts ermittelt. Es wird vermutet, dass im Programm dazu der Differenzenquotient genutzt wird. So berechnet man beispielsweise die Geschwindigkeit v X wie folgt: 41

5 Abb. 17 Vergleich der in Excel mit Differenzenquotienten errechneten Geschwindigkeiten (blau) mit den von AVA bestimmten (rot) Es werden die Differenzen der aufeinander folgenden x-werte gebildet, das entspricht Δ x (Spalte D). Anschließend bildet man den Quotienten aus Δ x und der Zeitdifferenz von 0,04 Sekunden, die zwischen zwei Messwerten vergeht. Das wurde mit Excel durchgeführt, und diese Werte sind blau dargestellt. Analog wurden die Ergebnisse für v Y erstellt. Vergleicht man die errechneten Werte mit den von AVA ermittelten Werten, bestätigt sich die Hypothese, dass AVA auch auf diese Art die Werte berechnet. Bis auf die Werte, die umrahmt sind, ist v X relativ homogen. Der Mittelwert für v X beträgt 1,45 m/s, der größte Wert 1,50 m/s und der kleinste Wert beträgt 1,29 m/s. Probleme bei der Ermittlung der Werte mit Differenzenquotienten stellen dabei immer die Anfangs- und die Endwerte dar, die in der Exceltabelle umrandet sind. Diese Werte fallen aus dem Rahmen und ergeben sich auch nicht aus den Berechnungen in Excel, dennoch findet man sie in den Wertetabellen und Grafiken von AVA. Abb. 18 Original vx(t) Diagramm aus AVA 42 Abb. 19 Original vy (t) -Diagramm aus AVA