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| Folie 1 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme

Smartphone Physics: Smartphones und Tablet-Computer als Messwerterfassungssysteme in

Physikunterricht und Lehrerbildung Patrik Vogt

Pädagogische Hochschule Freiburg

Eine Vielzahl der vorgestellten Experimente sind in Zusammenarbeit mit Lutz Kasper (PH Schwäbisch Gmünd) entstanden


• Gründe für den Einsatz von Smartphones und Tablets in Unterricht und Lehrerbildung

• Experimente mit Smartphones: Beschleunigungssensor und Gyroskop

Beschleunigungen im Alltag, freier Fall, schiefe Ebene, Stoßprozesse, Radialbeschleunigung…

• Effektivität von Smartphone-Experimenten • Zusammenfassung und Ausblick

Inhaltsübersicht


Ausgangspunkte und Grundgedanken


Fachdidaktischer Aspekt: Mehrwert für den Unterricht


• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten – Dokumentation – Informationsrecherche – Kommunikation – Cognitive Tools – Experimentiermittel


In Smartphones standardmäßig verbaute Sensoren

• Oszillogramme • Frequenz-

spektren • Schallpegel

Mikrofon

• Beschleuni-gungen

Kraft-sensoren

• Winkelge-schwindigkeiten

Gyroskop

• magnetische Flussdichten

GMRs

• Videoanalyse • Geiger-Müller-

Zählrohr • Beleuchtungs-

stärke

CCD-Chip

• GPS-Tracking

GPS-Empfänger

• Tongenerator

(Laut-sprecher)


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



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?



Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Beschleunigungssensoren

und des Gyroskops


Experimente mit den Beschleunigungssensoren


y

z

x

Wie funktionieren solche Apps?

Empfindliche Sensoren messen die Beschleuni-gungen in Richtung der eingezeichneten Achsen

g ax = 0 m/s2

ay = -9,81 m/s2

az = 0 m/s2



ax = sin(α)⋅g

ay = -cos(α)⋅g

az = 0 m/s2

Wie funktionieren solche Apps?

y

z x

g α



Beschleunigung an der schiefen Ebene …

°≈

=

=

8,1481,951,2arcsin

arcsingaα

Berechnung des Winkels

Mit Geodreieck gemessen

α = 15°



Beschleunigung an der schiefen Ebene

°≈

=

=

−

−

3,3481,953,5sin

sin

1

1

gaα


Mit Geodreieck gemessen

α = 35°



Beschleunigung an der schiefen Ebene

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

sin(alpha)

a in

m/s

2

a = 9,80 ms-2 ⋅ sin(α)

R2 = 0,9995



… oder bei einer Kinderrutsche

°≈

=

=

−

−

5,3881,911,6sin

sin

1

1

gaα




Und wie funktionieren die Beschleunigungssensoren überhaupt?



Untersuchung des freien Falls – zu Hause…



Untersuchung des freien Falls – zu Hause…

∆t


∆t = 0,56 s, s = 1,575 m

( ) 22 s

m2,00,102±≈=

tsg


Untersuchung des freien Falls – zu Hause… ∆t = 0,56 s, s = 1,575 m

( ) 22 s

m2,00,102±≈=

tsg

∆t



… oder im Freefall-Tower

Strecke des freien Falls

∆t = 2,78 s

Auskunft des Betreibers

s = 36,3 m

m 9,3721 2 ≈= gts



Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt?

Beschleunigungsphasen mit abnehmender Beschleunigung

Kurze Verzögerungsphasen mit betragsmäßig zunehmenden Beschleunigungen




1. Gang

2. Gang

3. Gang 4. Gang





Höhe = Etagenhöhe ∙ Stockwerk ≈ 3 m ∙ 21 = 63 m

Messergebnis: 64 m


Kinematik einer Fahrstuhlfahrt



Wer beschleunigt am stärksten?

Beschleunigungsverlauf einer S-Bahn Beschleunigungen verschiedener Verkehrsmittel

Die meisten Bewegungen im Alltag erfolgen mit näherungsweise konstanter Beschleunigung!



Laufen mit unterschiedlichem Schuhwerk

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12t in s

a in

m/s

²

Laufschuhe

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12t in s

a in

m/s

²

Laufschuhe Lederschuhe

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 2 4 6 8 10 12t in s

a in

m/s

²

Laufschuhe Lederschuhe BarfußMittelwert der Amplituden Laufschuhe: 25,2 ms-2 Lederschuhe: 27,5 ms-2 Barfuß: 30,6 ms-2



Untersuchung elastischer und inelastischer Stöße


-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

Besc

hleu

nigu

ng in

m/s

2

Zeit in s

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50

Ges

chw

indi

gkei

t in

m/s

Zeit in s

Wagen 1 Wagen 2

v1 ≈ 0,48 ms v2‘ ≈ 0,43m

s

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 0,5 1 1,5 2

Ges

chw

indi

gkei

t in

m/s

Zeit in s

v1 ≈ 0,40 ms v1‘ ≈ 0,23m

s


Untersuchung des Fadenpendels – im Physiksaal…

g a‘



8,5

9

9,5

10

10,5

11

11,5

-1 1 3 5 7 9 11

Zeit in s

Bes

chle

unig

ung

in m

s-2

(0,93 s; 11,29 ms-2)

(9,54 s; 10,78 ms-2)

t = 8,61 s, n = 4

Experiment: T = t/n ≈ (2,153 ± 0,002) s

Theorie:

s 15,22m 15,1=

≈=l

glT π

Untersuchung des Fadenpendels – im Physiksaal…



… oder bei einer Kinderschaukel

6

7

8

9

10

11

12

13

14

0 5 10 15

Zeit in s

Bes

chle

unig

ung

in m

s-2



Untersuchung von Pendelbewegungen – Das Federpendel im Physiksaal…

Dynamische Messung Statische Messung

( )mN02,002,3

999,0,mN02,3 2

adj.

±=

>⋅=

⋅=

D

RxF

xDF

∆t = t2 – t1 = 18,59 s – 0,37 s = 18,22 s

( )mN003,0055,3

42 212

2

±=

−

=⇒=

D

nttmD

DmT ππ

miPhone = 0,152 kg

n = 13



… oder im Aufzug

L0

L

L

AED ⋅=

0LhnL +⋅=

D Federkonstante E Elastizitätsmodul A Querschnittsfläche L Seillänge

2DmT π= T Periodendauer

m Masse

LT ∝⇒ 2 n Etage (von oben) h Höhe eines Stockwerks L0 Seillänge im obersten Stock



… oder im Aufzug

h ≈ 3 m, L0 ≈ 0,5 m



… oder im Aufzug

0

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0 5 10 15 20 25 30 35

geschätzte Seillänge in m

Qua

drat

der

Per

iode

ndau

er in

s2

94,0

s 026,0ms0019,0

2adj.

22

2

≈

+⋅=

R

LT



Untersuchung gekoppelter Pendel – im Labor…



… oder bei einer Partnerschaukel im Science Center



Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung mit einem Elektromotor



-5

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60

Zeit in s

Bes

chle

unig

ung

in m

s-2

-2ms 69,8=a

Kontrollmessung mittels Stoppuhr

r = 0,865 m, n = 20, t = 38,2 s

( ) 22

22

2

22

2

22

2

22

sm36,9

s 2,38m 865,0420

41

≈⋅⋅

=

====

π

πt

rnrt

Unrt

srva

Auswertung mittels iPhone

Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung mit einem Elektromotor



Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung bei einem Kinderkarussell

-2

0

2

4

6

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Zeit in s

Bes

chle

unig

ung

in m

s-2



0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Zeit in s

Bes

chle

unig

ung

in m

s-2

Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung bei einem Kinderkarussell

-2ms 6,3=a

Kontrollmessung mittels Stoppuhr

r = 0,79 m, T = 2,89 s

( )

( ) 22

2

2

2

2

2

2

22

sm7,3

s 89,2m 79,044

21

≈⋅

==

⋅===

ππ

π

Tr

rTr

rTU

rva

Auswertung mittels iPhone



… oder mit einem Schreibtischstuhl die Richtung der Kraftwirkung untersuchen!



Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung an einer Tür


Es gilt 𝑎𝑎 = 𝜔𝜔2 ⋅ 𝑟𝑟

zu jedem Zeitpunkt t. Allerdings wird 𝑎𝑎 zeitabhängig sein da 𝜔𝜔 es ist (Reibungseffekte). (P. Klein, TU KL)


… oder im Kreisverkehr


𝑟𝑟 =𝑎𝑎𝜔𝜔2 = 11,4 m 𝑟𝑟 = 11,2 m


Und noch mal „Physics on the Road“! Bestimmung von µR und cw


𝑀𝑀 ∙ 𝑎𝑎 = 𝐹𝐹𝐿𝐿 + 𝐹𝐹𝑅𝑅 =12 𝑐𝑐𝑤𝑤𝜌𝜌𝜌𝜌𝑣𝑣

2 + 𝜇𝜇𝑅𝑅𝑀𝑀𝑀𝑀

𝑎𝑎 =12𝑐𝑐𝑤𝑤𝜌𝜌𝜌𝜌𝑀𝑀 𝑣𝑣2 + 𝜇𝜇𝑅𝑅𝑀𝑀


Benutzte Fahrzeuge und Flächenbestimmung VW Beetle

LKW von MAN

VW T3 Bus

Tourenrad

A = 2,22 m2 A = 3,17 m2

A = 4,90 m2 A = 0,6 m2

Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop


Eine horizontale Ausrichtung ist wichtig!


Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.


Der zurückgelegte Höhenunterschied sollte vernachlässigbar sein






Zeit in s




Bes

chle

unig

ung

in m

/s2

Quadrat der Geschwindigkeit in (m/s)2


Messung a0 in ms-2 ∆a0 in ms-2 R2 µR ∆µR

1 0,1627 0,0009 0,97 0,01659 0,00010 2 0,3568 0,0022 0,97 0,03637 0,00023 3 0,2517 0,0008 0,94 0,02566 0,00009

Messung m in m-1 Δm in m-1 cw Δcw 1 0,000343 0,0000009 0,368 0,017 2 0,0003029 0,00000013 0,325 0,016 3 0,0002674 0,00000011 0,287 0,013

𝜇𝜇𝑅𝑅 = 0,02275 ± 0,00007; 𝑐𝑐𝑤𝑤 = 0,320 ± 0,009

Literaturwerte: 𝜇𝜇𝑅𝑅 = 0,015 ; 𝑐𝑐𝑤𝑤 = 0,37




Größe Volkswagen T3 Bus Tourenrad Feuerwehrauto

Masse M 2000 ± 5 kg 86,5 ± 0,1 kg 12 442 ± 5 kg wirksame Fläche A 3,17 ± 0,05 m2 0,6 ± 0,05 m2 4,90 ± 0,05 m2 Luftdichte ρ 1,20 ± 0,05 kgm-3 1,20 ± 0,05 kgm-3 1,20 ± 0,05 kgm-3 Literaturwerte µR (Reifen auf Asphalt) 0,01

(Stöcker, 2010)

0,0022-0,005 (Bike Tech review,

2010)

0,006-0,010 (Wikipedia, SW Rollwiderstand)

cw-Wert 0,51

(VW Bus Forum, 2014)

1,0 (Wilson, 2004)

0,8-1,5 (Leifi, 2014)

Experimentelle Ergebnisse

µR (Reifen auf Asphalt) 0,0035 ± 0,0006 0,02618 ± 0,00021 0,0170 ± 0,0004

cw-Wert 0,501 ± 0,023 1,12 ± 0,07 1,49 ± 0,07





• Messbereich der Sensoren auf ± 2g begrenzt ( zahlreiche Alltagsbewegungen nicht untersuchbar!)

Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!



• Messbereich der Sensoren auf ± 2g begrenzt ( zahlreiche Alltagsbewegungen nicht untersuchbar)

• Messrate auf 100 Hz begrenz


0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 0,5 1 1,5 2

Ges

chw

indi

gkei

t in

m/s

Zeit in s

v1 ≈ 0,40 ms v1‘ ≈ 0,23m

s




• Messrate auf 100 Hz begrenz • Überlagerung von Gewichts- und Trägheitskraft wird

gemessen Smartphone darf bei Bewegung Orientierung nicht ändern!





• Messrate auf 100 Hz begrenz • Überlagerung von Gewichts- und Trägheitskraft wird

gemessen Smartphone darf bei Bewegung Orientierung nicht ändern!

• Beschleunigung ist für Schüler eine schwierige Größe; Strecken und Geschwindigkeiten sind einfacher zu interpretieren; numerische Integration liefert aber nicht immer zufriedenstellende Ergebnisse!





Rohwerte der Beschleunigungsmessung (mit Offset Erdbeschleunigung)




Beschleunigungswerte, offsetbereinigt




Geschwindigkeitsverlauf und Position durch numerische Integration




Der Smartphone-Einsatz ist „chic“ und lernpsychologisch gut begründbar (Situiertes Lernen), fachdidaktische Aspekte dürfen bei seiner Beurteilung jedoch nicht unberücksichtigt bleiben!

„Es ist nicht alles Gold, was glänzt…“


Literaturhinweise


Literaturhinweise

Experimente mit dem Smartphone


Literaturhinweise



Smartphone-Experimente – nur eine nette Idee oder auch effektiv?


Hypothesen: • Größere und beständigere Leistungsfähigkeit sowie • größere und beständigere Motivation durch die Arbeit mit Smartphone-

Experimenten.

Einflussfaktoren: • Lehrer, Schulsystem, Schule => konstant • Geschlecht Erhobene Kovariaten: • Lesekompetenz • Allgemeine Intelligenz • Mittlere Leistungsstände in den Fächern PH, M und D Stichprobe: Insgesamt 58 SuS (30 KG; 28 EG; gleiche Lk)

Pilotstudie zur Wirksamkeit von Smartphone-Experimenten



Akustische Phänomene: Quasiexperimentelles Versuchs-Kontrollgruppen-Design



Instruktionsmaterial der Experimentalgruppe (EG)


Experimente mit neuen Alltagsmaterialien

Experimentalgruppe



Instruktionsmaterial der Kontrollgruppe (KG)


Experimente mit neuen Alltagsmaterialien



Aufgaben in EG und KG


Zusammenfassung der Ergebnisse


Analysemethode: Zweifaktorielle Kovarianzanalyse mit Messwiederholung Kein signifikanter Unterschied in der Förderung der intrinsischen Motivation

in der EG im Vergleich zur KG, ABER… Stabilisierung des Selbstkonzepts (als Mot.-Subskala) durch die Arbeit mit

Smartphone-Experimenten (p<0.05; ω²=0.09; mittelgroßer Effekt). Signifikante Förderung der Leistung durch die Arbeit mit Smartphone-

Experimenten (p<0.01; ω²=0.16; großer Effekt). Hier in der Pilotstudie: Entgegenwirken des Matthäus-Effekts. Signifikanter Einfluss der Lesekompetenz auf die Leistungsförderung

(p<0.05; ω²>0.14; großer Effekt). Keine signifikante Beeinflussung der abhängigen Variablen (Motivation,

Leistung) durch restliche Kovariate.


Bisher: Sind Smartphone-Experimente wirksamer als inhaltsgleiche Experimente mit Standardmaterialien aus der Physiksammlung? • Pilotstudie im Themenbereich „Akustik“: KUHN., J. & VOGT, P. (angenommen).

Smartphone & Co. in Physics Education: Effects of Learning with New Media Experimental Tools in Acoustics. In: Kauertz, A., Ludwig H., Müller, A., Pretsch, J., Schnotz, W. (Hrsg.): Multiple Perspecitves on Teaching and Learning.

• Folgearbeiten der AG Didaktik der Physik, TU KL Strang „Neue Medien 2“ (Mi., 14:00 Uhr)

Neue Forschungsfragen : • Welche Effektivität besitzen Smartphone-Heimversuche verglichen mit konventionellen

inhaltsgleichen Aufgabenstellungen?

• Welche Effektivität hat die Untersuchung von Alltagskontexten mit dem Smartphone verglichen mit inhaltsgleichem traditionellen Experimentalunterricht?

• Können Motivation und Leistung bei Nebenfachstudierenden (z. B. Ingenieure, Mediziner) durch Smartphone-Experimente besser gefördert werden?

Neue Forschungsfragen rund um das Thema „Smartphone Physics“


Zusammenfassung und Ausblick


• Smartphone = vollwertiges Messwerteerfassungssystem

• Niedrigschwelliger Zugang zu physikalischen Messverfahren

• Vorteile: starke Verbreitung, große Vertrautheit, intuitiv bedienbar, hohe Mobilität, auch spontan zu Messzwecken einsetzbar

• Auslagerung/Vertiefung experimenteller Inhalte in Hausaufgaben möglich

• Heimversuche i. Allg., experimentelle Untersuchung von Alltagskontexten im Besonderen (Kontextorientierung2!)

• Quantitative Analysen im Bereich Mechanik und Akustik nur mit Smartphone und Alltagsmaterialien: z. T. schwer zugängliche Größen, wie z. B. Widerstandsbeiwert oder Schallgeschwindigkeit in Eisen

• Erste Ergebnisse zur Lernwirkung von Smartphone-Experimenten positiv

• Empirische Studien in Schule und Hochschule zu den o. g. Aspekten in Vorbereitung

Zusammenfassung und Ausblick

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