Schülerexperiment: Bestimmung der Beschleunigung von Körpern (bei Smartphone-Einsatz)

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1 Schülerexperiment: Bestimmung der Beschleunigung von Körpern (bei Smartphone-Einsatz) Stand: Jahrgangsstufen 8 Fach/Fächer Zeitrahmen Benötigtes Material Physik Vorbereitung durch eine Hausaufgabe; Ermittlung der Beschleunigungen in einer Unterrichtsstunde möglich Smartphone oder Tablet; geeignete App Kompetenzerwartungen Die Schülerinnen und Schüler beschreiben eindimensionale Bewegungen mithilfe der Beschleunigung und ermitteln diese aus Zeit-Geschwindigkeits-Diagrammen. Sie bestimmen Beschleunigungen von Körpern experimentell aus gemessenen Geschwindigkeitswerten, mithilfe von Sensoren oder einer Videoanalyse. Hinweise zum Unterricht Mögliche Arbeitsaufträge: Mithilfe eines t-v-diagramms, welches du mit deinem Smartphone und der App Speed Box aufnimmst, sollst du Beschleunigungen bei einer Zugfahrt ermitteln. 1. Beschreibe, welche Materialien du benötigst und welche Zugfahrt du unternimmst. 2. Messung: a) Bestimme, während du misst, die Zeit deiner Messung. Die Zeit wird für dein Diagramm benötigt. b) Achte während deiner Messung auf die Empfindlichkeit deiner GPS-Ortung. Die wird in unregelmäßigen Abständen auf dem Display angezeigt (in der Form GPS 100 m oder GPS 50 m). c) Nachdem du die Messung beendet und die Zeit gestoppt hast, fotografiere dein erhaltenes Diagramm. Vergiss nicht, die Messzeit zu notieren. d) Schicke den Datensatz als Anhang einer an die Adresse deiner Lehrkraft (xaver.schnell@zubizu.de). Er wird dir die Daten aufbereiten und dir im Unterricht ein vergrößertes Diagramm aus den Daten geben. 3. Auswertung: a) Drucke das Foto deines Diagramms (siehe 2c)) aus und klebe es in dein Protokoll ein. Seite 1 von 5

2 b) Beschreibe die Bewegung, die das Diagramm darstellt. Notiere hier im Protokoll auch die Zeit für die betrachtete Bewegung. c) Unterteile das Diagramm in einzelne Abschnitte, in denen die Beschleunigung jeweils ungefähr konstant ist. Erläutere insbesondere, warum die Messwerte streuen und eine Ausgleichsgerade zur Bestimmung der Beschleunigung nötig ist (Tipp: Denke an die Empfindlichkeit). d) Ermittle die Beschleunigung in der ersten Phase mithilfe einer Ausgleichsgeraden. e) Bestimme im Diagramm die kleinste (größte) Beschleunigung für ein dir sinnvoll erscheinendes Zeitintervall. Anmerkungen: Benötigt werden ein Smartphone oder ein Tablet bzw. ipad mit einer App zur Geschwindigkeitsmessung. Viele Apps gibt es kostenlos zu laden. Für einen geringen Aufpreis können aber zusätzliche Funktionen verwendet werden; insbesondere, wenn es um die Verarbeitung der aufgenommenen Daten geht. Die hier gestellten Aufgaben können mit der App Speedbox und in abgewandelter Form mit der App Speedometer bearbeitet werden. Die Nennung dieser Apps sagt aber nichts über die Verwendbarkeit weiterer geeigneter Apps aus. Man sollte hinsichtlich der Geschwindigkeitsmessung unterscheiden, ob der Kraftsensor des Smartphones oder Tablets benutzt wird, der dann über die Beschleunigung die Geschwindigkeit ermittelt, oder eine GPS-Ortung. In beiden Fällen sind die Geschwindigkeitswerte berechnet. Allerdings lässt sich bei der GPS-Ortung die Bestimmung der Geschwindigkeit den Schülern eher plausibel machen, da ihnen aus dem Unterricht die Geschwindigkeitsbestimmung aus der Ortsveränderung bekannt sein sollte. Die Bestimmung der Geschwindigkeit aus der Beschleunigung ist hingegen noch nicht im Unterricht behandelt worden und späteren Unterrichtseinheiten vorbehalten. Speed Box ist eine App, die im GPS-Modus arbeitet. Da die GPS-Ortung nicht immer mit derselben Empfindlichkeit arbeitet, streuen die Werte; aber für den Zweck der a-bestimmung in einem erträglichen Maß. Beachten sollte man, dass das Smartphone bzw. Tablet eine Ortung möglich macht. Die neueren Modelle sind dafür gut ausgerüstet. Am besten und schnellsten lässt man sich im Ruhezustand mit dem GPS verbinden. Ist dies geschehen, dann erhält man gute Werte, die zur Ermittlung der Beschleunigung von Fahrzeugen ausreichend sind. Beschleunigungen sollten realitätsnah von alltagsrelevanten Bewegungen ermittelt werden. In diesem Sinne bietet es sich an, die Geschwindigkeiten im Auto, Zug, in der Straßenbahn, mit dem Fahrrad etc. zu messen. Dafür sind die meisten Applikationen auch ausgelegt. Anhand der Geschwindigkeitsänderungen können dann die Beschleunigungen in den verschiedenen Phasen ermittelt werden; vorausgesetzt der Zusammenhang von Beschleunigung und zeitlicher Geschwindigkeitsänderung ist im Unterricht bereits behandelt worden. Die Schülerinnen und Schüler sind natürlich vor dem eigenen Experimentieren mit der App vertraut zu machen. Außerdem ist eine experimentelle Hausaufgabe zu Beginn empfehlenswert: z. B. Aufnahme einer Bewegung der Straßenbahn mithilfe des Smartphones und Senden der Daten an die Lehrkraft. Diese kann dann die Daten in Ruhe aufbereiten und sich geeignete Streckenabschnitte auswählen, die die Schüler dann im Sinne der Aufgabenstellung bearbeiten können. Dieser Weg erscheint geeignet, da die Daten im Excel-Format verschickt werden und wohl nicht jeder Schüler über ausreichende Kenntnisse im Umgang mit dem Tabellenkalkulationsprogramm hat. Speziell zu Speed Box: Bei mehrmaliger Nutzung der App können aus dem Diagramm, das auf dem Display zu sehen ist, grob Beschleunigungen abgeschätzt werden. Seite 2 von 5

3 Die Zeitachse ist unbedingt auszumessen. Dazu sollte man die Zeit für einen Durchlauf im Diagramm abmessen. Mögliches Versuchsprotokoll: Wie stark bremst ein Zug? 1. Aufbau und Beschreibung: Ich benötigte ein Smartphone und die App Speed Box. Im Zug RE1234 messe ich zwischen den Haltestellen A und B für 2,5 Minuten die Geschwindigkeit mit Speed Box. Die Messkurve fotografiere ich. Den Datensatz schicke ich an meinen Physiklehrer Herrn Schnell per zur Aufbereitung der Diagramme. 2. Messung: 3. Auswertung: a), b) Bewegung 1: Der Zug fährt eine Weile relativ konstant, bevor er abbremst und an einer Haltestelle zum Stillstand kommt. Gesamte Zeitdauer: 5 Minuten Weiteres Beispiel/Bewegung 2: Der Zug beschleunigt relativ gleichmäßig auf 130 km/h auf freier Strecke, nachdem er die Haltestelle verlassen hat. Gesamte Zeitdauer: 5 Minuten Seite 3 von 5

4 c) Von Herrn Schnell habe ich eine Grafik eines ausgelesenen Datensatzes bekommen (nachfolgend ein anderes Beispiel): Man erkennt drei unterschiedliche Beschleunigungsphasen: Leichtes Bremsen in den ersten 30 s Starkes Bremsen in den folgenden 10 s Leichtes Beschleunigen zwischen 40 s und 63 s Die Messwerte streuen öfter hin und her. Das liegt an der mitunter nicht genauen GPS-Ortung des Zugs, da das GPS den Zug manchmal auf 50 m genau, ein anders Mal nur auf 300 m genau ortet. Streuen die Messwerte nicht zu viel, dann kann man für bestimmte Bereiche eine Ausgleichgerade zeichnen. d) Bestimmung der Beschleunigung in den ersten 30 s mithilfe einer Ausgleichgeraden. Seite 4 von 5

5 e) Die beiden betragsmäßig größten Beschleunigungen: Anregung zum weiteren Lernen Als Alternative kann mit einer App wie z. B. Speedometer GPS - Tracker Speed Limit Alert with Hud & GPS Black Box Recorder (Stand ) gearbeitet werden. Es kann ein Film über diesen Tachometer von einem zweiten Schüler mit einem weiteren Smartphone erstellt werden, der dann zur Auswertung abgespielt wird. Beispielsweise können Tachometerbilder in einem zeitliche Abstand von 5 Sekunden in einem Regionalzug betrachtet werden (siehe auch die Aufgabe 8.1_Afg_Ke1_a- Bestimmung mittels Tachometer). Quellen- und Literaturangaben Mittlerweile gibt es sehr viel Literatur dazu, wie Smartphones und Tablets im Unterricht verwendet werden können. Beispielhaft werden hier nur genannt: MNU Themenspezial MINT Unterricht mit Tablet-Computern lebendig gestalten, Verlag Klaus Seeberger, 2014 Naturwissenschaften im Unterricht Physik, Seelze, Heft 145, Friedrich Verlag, Februar 2015 Seite 5 von 5