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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
| Folie 2 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
• 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
| Folie 3 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Ausgangspunkte und Grundgedanken
| Folie 4 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Fachdidaktischer Aspekt: Mehrwert für den Unterricht
Ausgangspunkte und Grundgedanken
• Vielfältige Einsatzmöglichkeiten – Dokumentation – Informationsrecherche – Kommunikation – Cognitive Tools – Experimentiermittel
| Folie 5 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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)
| Folie 6 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Ausgangspunkte und Grundgedanken
| Folie 7 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Ausgangspunkte und Grundgedanken
| Folie 8 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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?
Ausgangspunkte und Grundgedanken
| Folie 9 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit Smartphones unter Verwendung der Beschleunigungssensoren
und des Gyroskops
| Folie 10 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 11 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 12 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
ax = sin(α)⋅g
ay = -cos(α)⋅g
az = 0 m/s2
Wie funktionieren solche Apps?
y
z x
g α
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 13 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Beschleunigung an der schiefen Ebene …
°≈
=
=
8,1481,951,2arcsin
arcsingaα
Berechnung des Winkels
Mit Geodreieck gemessen
α = 15°
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 14 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Beschleunigung an der schiefen Ebene
°≈
=
=
−
−
3,3481,953,5sin
sin
1
1
gaα
Berechnung des Winkels
Mit Geodreieck gemessen
α = 35°
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 15 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 16 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… oder bei einer Kinderrutsche
°≈
=
=
−
−
5,3881,911,6sin
sin
1
1
gaα
Berechnung des Winkels
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 17 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Und wie funktionieren die Beschleunigungssensoren überhaupt?
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 18 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung des freien Falls – zu Hause…
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 19 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung des freien Falls – zu Hause…
∆t
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
∆t = 0,56 s, s = 1,575 m
( ) 22 s
m2,00,102±≈=
tsg
| Folie 20 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung des freien Falls – zu Hause… ∆t = 0,56 s, s = 1,575 m
( ) 22 s
m2,00,102±≈=
tsg
∆t
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 21 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… oder im Freefall-Tower
Strecke des freien Falls
∆t = 2,78 s
Auskunft des Betreibers
s = 36,3 m
m 9,3721 2 ≈= gts
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 22 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt?
Beschleunigungsphasen mit abnehmender Beschleunigung
Kurze Verzögerungsphasen mit betragsmäßig zunehmenden Beschleunigungen
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 23 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt?
1. Gang
2. Gang
3. Gang 4. Gang
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 24 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt?
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 25 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt?
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 26 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt?
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Höhe = Etagenhöhe ∙ Stockwerk ≈ 3 m ∙ 21 = 63 m
Messergebnis: 64 m
| Folie 27 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Kinematik einer Fahrstuhlfahrt
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 28 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Wer beschleunigt am stärksten?
Beschleunigungsverlauf einer S-Bahn Beschleunigungen verschiedener Verkehrsmittel
Die meisten Bewegungen im Alltag erfolgen mit näherungsweise konstanter Beschleunigung!
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 29 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 30 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 31 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 32 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung elastischer und inelastischer Stöße
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
-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
| Folie 33 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung des Fadenpendels – im Physiksaal…
g a‘
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 34 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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…
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 35 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… 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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 36 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 37 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… 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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 38 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… oder im Aufzug
h ≈ 3 m, L0 ≈ 0,5 m
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 39 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… 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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 40 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung gekoppelter Pendel – im Labor…
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 41 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… oder bei einer Partnerschaukel im Science Center
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 42 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung mit einem Elektromotor
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 43 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
-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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 44 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 45 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 46 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 47 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 48 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… oder mit einem Schreibtischstuhl die Richtung der Kraftwirkung untersuchen!
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 49 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung an einer Tür
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Es gilt 𝑎𝑎 = 𝜔𝜔2 ⋅ 𝑟𝑟
zu jedem Zeitpunkt t. Allerdings wird 𝑎𝑎 zeitabhängig sein da 𝜔𝜔 es ist (Reibungseffekte). (P. Klein, TU KL)
| Folie 50 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
| Folie 51 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
… oder im Kreisverkehr
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
𝑟𝑟 =𝑎𝑎𝜔𝜔2 = 11,4 m 𝑟𝑟 = 11,2 m
| Folie 52 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Und noch mal „Physics on the Road“! Bestimmung von µR und cw
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
𝑀𝑀 ∙ 𝑎𝑎 = 𝐹𝐹𝐿𝐿 + 𝐹𝐹𝑅𝑅 =12 𝑐𝑐𝑤𝑤𝜌𝜌𝜌𝜌𝑣𝑣
2 + 𝜇𝜇𝑅𝑅𝑀𝑀𝑀𝑀
𝑎𝑎 =12𝑐𝑐𝑤𝑤𝜌𝜌𝜌𝜌𝑀𝑀 𝑣𝑣2 + 𝜇𝜇𝑅𝑅𝑀𝑀
| Folie 53 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
| Folie 54 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Eine horizontale Ausrichtung ist wichtig!
Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop
Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.
| Folie 55 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Der zurückgelegte Höhenunterschied sollte vernachlässigbar sein
Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop
Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.
| Folie 56 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop
Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.
| Folie 57 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop
Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.
Zeit in s
| Folie 58 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop
Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.
Bes
chle
unig
ung
in m
/s2
Quadrat der Geschwindigkeit in (m/s)2
| Folie 59 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop
Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.
| Folie 60 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
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
Experimente mit Beschleunigungs- sensoren und Gyroskop
Quelle: FAHSL, C. & VOGT, P. (angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher.
| Folie 61 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
• Messbereich der Sensoren auf ± 2g begrenzt ( zahlreiche Alltagsbewegungen nicht untersuchbar!)
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
| Folie 62 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
• Messbereich der Sensoren auf ± 2g begrenzt ( zahlreiche Alltagsbewegungen nicht untersuchbar)
• Messrate auf 100 Hz begrenz
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
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
| Folie 63 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
• Messbereich der Sensoren auf ± 2g begrenzt ( zahlreiche Alltagsbewegungen nicht untersuchbar)
• Messrate auf 100 Hz begrenz • Überlagerung von Gewichts- und Trägheitskraft wird
gemessen Smartphone darf bei Bewegung Orientierung nicht ändern!
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
| Folie 64 | 18.01.2015 | P. Vogt | Smartphones und Tablet-Computer als Messwerteerfassungssysteme
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
• Messbereich der Sensoren auf ± 2g begrenzt ( zahlreiche Alltagsbewegungen nicht untersuchbar)
• 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!
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
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Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
Rohwerte der Beschleunigungsmessung (mit Offset Erdbeschleunigung)
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Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
Beschleunigungswerte, offsetbereinigt
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Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
Geschwindigkeitsverlauf und Position durch numerische Integration
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Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Beschleunigungsmessungen mit Smartphones – „chic“ aber nicht immer sinnvoll!
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…“
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Literaturhinweise
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Literaturhinweise
Experimente mit dem Smartphone
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Literaturhinweise
Experimente mit dem Smartphone
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Literaturhinweise
Experimente mit dem Smartphone
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Smartphone-Experimente – nur eine nette Idee oder auch effektiv?
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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
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Pilotstudie zur Wirksamkeit von Smartphone-Experimenten
Akustische Phänomene: Quasiexperimentelles Versuchs-Kontrollgruppen-Design
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Pilotstudie zur Wirksamkeit von Smartphone-Experimenten
Instruktionsmaterial der Experimentalgruppe (EG)
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Experimente mit neuen Alltagsmaterialien
Experimentalgruppe
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Pilotstudie zur Wirksamkeit von Smartphone-Experimenten
Instruktionsmaterial der Kontrollgruppe (KG)
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Experimente mit neuen Alltagsmaterialien
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Pilotstudie zur Wirksamkeit von Smartphone-Experimenten
Aufgaben in EG und KG
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Zusammenfassung der Ergebnisse
Pilotstudie zur Wirksamkeit von Smartphone-Experimenten
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.
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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“
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Zusammenfassung und Ausblick
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• 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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