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 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 1
Ausgangspunkte und Grundgedanken Folie 3 30.09.013 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 4 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel
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 5 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit konventionellen Handys ein Beispiel Folie 6 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 3
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. 383-384. Folie 7 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit konventionellen Handys Bestimmung der Erdbeschleunigung 60 Frequenzänderung in Hz 50 40 30 0 10 Lineare Regression: m = 115,0 s -, m =,4 s - m c m Ergebnis: g 9,8 0, f Folie 8 30.09.013 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
Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Folie 9 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Folie 10 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 5
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 11 30.09.013 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 1 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 6
Beschleunigung an der schiefen Ebene Berechnung des Winkels a arcsin g,51 arcsin 14,8 9,81 Mit Geodreieck gemessen = 15 Folie 13 30.09.013 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 14 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 7
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 15 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Und wie funktionieren die überhaupt? Folie 16 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 8
Untersuchung des freien Falls zu Hause Folie 17 30.09.013 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 18 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 9
Untersuchung des freien Falls zu Hause t t = 0,56 s, s = 1,575 m s m g 10,0 0, t s Folie 19 30.09.013 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 0 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 10
Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt? Beschleunigungsphasen mit abnehmender Beschleunigung Kurze Verzögerungsphasen mit betragsmäßig zunehmenden Beschleunigungen Folie 1 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt? 1. Gang. Gang 3. Gang 4. Gang Folie 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 11
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 3 30.09.013 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 4 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 1
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 5 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel oder im Aufzug h 3 m, L 0 0,5 m Folie 6 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 13
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. 0,94 0 0 5 10 15 0 5 30 35 geschätzte Seillänge in m Folie 7 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel zahlreiche weitere Experimente möglich! Folie 8 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 14
Experimente mit Smartphones unter Verwendung des Mikrofons Folie 9 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon zahlreiche Einsatzmöglichkeiten im Themenbereich Akustik Folie 30 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 15
Mikrofon Untersuchung der Schallarten Ton Klang Knall Geräusch Folie 31 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon Untersuchung der Schallarten Folie 3 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 16
Mikrofon Phänomen der Klangfarbe Folie 33 30.09.013 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 34 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 17
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 35 30.09.013 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 36 30.09.013 = 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
Mikrofon Geschwindigkeit geschlagener und geschossener Bälle s Bestimmung der Flugzeit t durch akustische Messung! t v s t Folie 37 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Mikrofon zahlreiche weitere Experimente möglich! Folie 38 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 19
Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Feldstärkesensoren Folie 39 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Feldstärkesensor Magnetischer Fluss einer Spule I Stromstärkeabhängigkeit N = 300 Magnetische Flussdichte in Mikrotesla 1000 800 600 400 00 0 0 1 3 4 Stromstärke in A Folie 40 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 0
Mikrofon Magnetischer Fluss einer Spule II Abhängigkeit von der Windungszahl I = 0,15 A Magnetische Flussdichte in Mikrotesla 1000 800 600 400 00 0 0 1000 000 3000 4000 Windungszahl Folie 41 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Videoanalyse Folie 4 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 1
Videoanalyse mit dem Smartphone Untersuchung des freien Falls I = 0,15 A Folie 43 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Experimente mit Smartphones unter Verwendung des GPS-Empfängers Folie 44 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel
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 45 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Literaturhinweise Folie 46 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 3
Smartphone Literaturhinweise Folie 47 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Smartphone Literaturhinweise Folie 48 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 4
Smartphone Literaturhinweise Folie 49 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Zusammenfassung und Ausblick Folie 50 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 5
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 51 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel Zusammenfassung und Ausblick Akustische Phänomene: Pilotstudiendesign Folie 5 30.09.013 Patrik Vogt Handys und Smartphones als Mess- und Experimentiermittel 6
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