Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungenpluslucis.univie.ac.at/FBW0/FBW2014/Material/Wilhelm_2014_Video... · Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014

24.2.2014

Möglichkeiten

der Videoanalyse

von Bewegungen

Prof. Dr. Thomas Wilhelm

Institut für Didaktik der Physik

Goethe-Universität Frankfurt

Wien

24.2.2014 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen

Gliederung

1. Über Videoanalyse

2. Besondere Funktionen von measure dynamics

3. Didaktische Möglichkeiten mit measure dynamics

4. Weitere Bespiele

5. Unterrichtskonzept mit Forschungsergebnissen

6. Passende Lehrerhandbücher

24.2.2014

1. Über Videoanalyse




Wien


1.1 Was ist Videoanalyse?

• Digitale Videos von Bewegungen heute problemlos möglich.

• Videos enthalten Orts- und Zeitinformationen (Einzelbilder

in festen Zeitabständen).

• Ist eine Referenzlänge bekannt, kann jeder Ort berechnet

werden.

• Früher: Folie auf Fernsehbildschirm gelegt und mit Lineal

abgemessen.

• Heute Computerprogramm, das die Berechnung und

Darstellung übernimmt (sehr unterschiedliche).

• Ortsmessung durch Mausklick oder durch intelligentes

Programm.


• Markieren des Ortes:


Bahnkurve:


• Darstellung der Zentripetalbeschleunigung

durch Einlenden von Pfeilen:


Bild anklicken!

Schleuderball_Zentripetalbeschleunigung.prj


• Videoanalyse von Bewegungen in Lehrplänen vorgesehen

(Bayern, Brandenburg, Hessen, Schleswig-Holstein)

• Videoanalyse in vielen Schulbüchern beschrieben

• Berührungsfreies Messwerterfassungssystem besonders

für den Mechanikunterricht.

• Verschiedenste Programme verfügbar, die noch sehr zu

wünschen übrig lassen.

• Wir haben „measure dynamics“ mit einer Vielzahl neuer

Möglichkeiten entwickelt.



1.2 Produktnamen für Videoanalysesysteme

– Einfache, billige Klick-Programme, bei denen die

Auswertung nur manuell möglich ist:

• Deutsch: DiVa, Gallileo, David, ViMPS, Easyvid, VideoAnalyzer,

DOTSPOT, Coach5, EVA

• Englisch: VideoPoint, World-in-Motion, VidAna

– Programme, die eine automatische Auswertung haben:

• Viana (funktioniert schlecht, da nur Farbanalyse)

• Coach 6 (auch nur Farbanalyse)

• AVA (Erprobungszeitraum abgelaufen)

• measure dynamics (sehr sehr gut, mit vielfältigen Darstellungen)

• Tracker (Freeware, mit Modellbildung, ohne Einblendungen)


1.2 Welche Programme?


1.3 Woher bekannt?

• Entscheidend für die Nutzung:

Referendariat und Fortbildungen

Informationsquellen für Videoanalyse

Gruppe

Quelle Nutzer,

N=33

Nicht-Nutzer,

N=62

Studium 39 % 21 %

Referendariat 48 % * 24 %

etwas gelesen 27 % 26 %

von Kollegen gehört 33 % 31 %

aus Fortbildungen 45 % *** 11 %

24.2.2014

2. Besondere Funktionen

von „measure dynamics“

(und EVA)




Wien


2.1 Grundlegendes

Neue Möglichkeiten:

• Bearbeitung der Tabellendaten im Programm

(weitere Berechnungen)

• Speichern aller Einstellungen in Projekten (*.prj)

• Export aller Tabellen, Bilder und des

bearbeiteten Videos

→ Verwendung des Videos ohne die Software

• Volle Kompatibilität zwischen measure dynamics

und EVA (dateigleich)


2.2 Automatische Analyse

• Automatische Analyse sonst nur bei

AVA, Viana, Coach6 und Tracker;

oft mit Problemen verbunden

• mD erkennt Farbe, Form und Größe

→ Objekt darf rotieren und Farbe ändern

• Besonders bei langen Videos erhebliche

Zeitersparnis

• Beispiel: Maxwell-Verteilung mit einem

Luftkissentisch (kleiner oder großer)


• Pucks auf Luftkissentischen

• Video mit über 2.000 Frames

• Fehlerfreie Analyse in 3 min

• Maxwellsche

Geschwindigkeits-

verteilung



• Pucks auf Luftkissentisch

• Video mit über 2000 Frames

• Fehlerfreie Analyse in 3 min

• Maxwellsche

Geschwindigkeits-

verteilung



2.3 Diagramme in Echtzeit

• Erzeugung von Diagrammen synchron

zum ablaufenden Video

• Räumliche Kontiguität von

Diagramm und

Video/Experiment

• Beispiel:

Federpendel

FPEchtzeitdiagramme.prj


2.4 Analyse mehrere Punkte/Objekte

• Auswertung der Bewegungen von

bis zu zwölf Objekten bzw. Objektpunkten


2.5 Dynamisch ikonische Repräsentation

• Einblendung von Säulen und Pfeilen

für die physikalischen Größen,

angeheftet oder ortsfest.


2.5 Dynamisch ikonische Repräsentation

Ortsfeste Vektoren:


2.6 Serienbilder

• Schmale Streifen als t-x-Diagramm

• Für Schülerarbeitsblätter zum Ausmessen


2.6 Serienbilder

• Beispiel t-v-Diagramm:

Serienbild ortsfester Geschwindigkeitspfeile

bei einer Schwingung


2.7 Stroboskopbilder

• Einfaches Erstellen von Stroboskop-

bildern aus jedem beliebigen Video

Normales Stroboskopbild Stroboskopbild abgeblendet

mit weiteren Einblendung


2.7 Stroboskopbilder

• Verschiedene Darstellungsmöglichkeiten

Monochromatischer

Hintergrund Farbige Blitzlichter


2.8 Weitere Funktionen

• Zählen in Bildern: Beispiel: Die Anzahl der Nebelspuren von Radonzerfällen ergibt Aktivitätskurve und Halbwertszeit.

• Messen in Bildern: Aus der Länge von Nebelspuren von -Teilchen (Reichweite) berechnet man deren kinetische Energie.


2.8 Weitere Funktionen

• Winkelmessung im Foto

hier: Interferenz am Gitter und Nebel

T. Wilhelm: Laserstrahlen mit der Nebelmaschine sichtbar

machen - In: PdN-PhiS 59, Nr. 8, 2010, S. 14 - 16

24.2.2014

3. Didaktische

Möglichkeiten mit

„measure dynamics“




Wien


3.1 Studien zu Fehlvorstellungen

• Studie mit Gymnasiasten und Studie mit

Erstsemestern:

Große Probleme mit der Richtung der

Beschleunigung (mehr als in USA)

• Studie mit Gymnasiallehrern:

Kein Bewusstsein für dieses Problem;

Lehrer meinen, Schüler könnten

entsprechende Aufgaben


• Beispiel:

– Nur 12 % der Schüler (nach Unterricht) und 19 % der

Erstsemester geben bei Kurvenfahrten mit konstantem

Tempo die Beschleunigung radial nach innen an.

– Nur von 4 % der Lehrer denken dies.

– 49 % meinen, dass 50 bis 85 % der Schüler richtig.

• Lehrer halten das Auftreten von

Schülervorstellungen für seltener als es in Tests

der Fall ist.

3.1 Studien zu Fehlvorstellungen


3.2 Einführung der kinematischen Größen

anhand 2-dimensionaler Bewegungen

• Sinnvoll: Geschwindigkeit und Beschleunigung

an 2-dim. Bewegungen einführen

• „measure dynamics“ erleichtert die Analyse von

realen zweidimensionalen Bewegungen

• Beispiel: Darstellung

der Bahnkurve durch

Stempeln der Ortsmarken

(oder mit Stroposkopbilder)

Eisenbahn- Kreis Ortsmarken.prj


• Erarbeitung der

Beschleunigung über die

Geschwindigkeits-

änderung – Beschleunigung zeigt immer in

Richtung der

Geschwindigkeitsänderung

– Vektorieller Charakter wird

besser verstanden

– Fehlvorstellungen werden

vermieden

3.2 Einführung der kinematischen Größen

anhand 2-dimensionaler Bewegungen

Eisenbahn-Kreis konstantes Tempo-exp.avi


3.3 Pro und Contra

• Vorteile:

– Visualisierung von Größen, die nicht mit dem Auge

erfasst werden können.

– Dynamische Darstellung von Vektorpfeilen

– Einfache Erstellung von Stroboskopbildern

– Interessante Alltagsbewegungen sind analysierbar.

– Messungen am eigenen Körper

– Berührungsfreies Messen ist möglich.

– Zweidimensionale Bewegungen sind messbar.

– Schüler können selbsttätig analysieren.


3.3 Pro und Contra

• Probleme:

– Es sind gute Videos nötig (verzerrungsfrei, hohe

Framerate).

– Es gibt keinen Standard bzgl. Videoformaten und

Codecs.

– Hohe Messungenauigkeit (Beschleunigung!)

– Fast nur in der Mechanik einsetzbar.


3.3 Pro und Contra

• Einsatzmöglichkeiten mit

measure dynamics:

– Manuelle oder automatische Analyse

– Darstellung fertig analysierter Videos

– Export von Videos als avi-Datei

mit allen Darstellungen (Lehrvideos)

24.2.2014

4. Beispiele mit

„measure dynamics“




Wien


4.1 Bierschaumzerfall

• Bierschaumzerfall: häufig als Analogversuch zum radioaktiven Zerfall! Korrekt?

• Schaumbildung abhängig von Temperatur des Bieres, der Temperatur des Gefäßes, dem Alter des Bieres, der Wartezeit nach dem Öffnen der Flasche, dem Luftdruck und vor allem von der Art der Schaumerzeugung.

• Zerfall abhängig von Form des Gefäßes und Verunreinigungen an der Glaswand.

• Drei Zerfallseffekte: – Nach unten Fließen der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft

dünnere Wände der Bläschen Zerplatzen (Entwässerung des Schaums, Drainage)

– Zunahme der mittleren Blasengröße, da Kohlendioxid von kleineren in größere Blasen diffundiert kleine Blasen verschwinden, große platzen

– Verdunstung am oberen Ende des Schaums



• Alle Untersuchungen zeigen zwei

Zerfallsphasen (unterschiedliche

Zerfallsgleichungen):

– In ersten Phase überwiegt das nach

unten Fließen der Flüssigkeit aufgrund

der Schwerkraft

(Bierrückholungsphase)

– In zweiten Phase überwiegt die

Blasenvergrößerung und das Platzen

der Blasen.

• Messung sinnvoll mit Videoanalyse



• Ergebnis als Streifenbild:



• Ergebnis als Diagramm:


• Sinnvollste mathematische Beschreibung:

biexponentiell

• Logarithmische Darstellung:


21 /

2

/

1)( tt

ehehth

T. Wilhelm & W. Ossau:

Bierschaumzerfall – Modelle und

Realität im Vergleich –

In: PdN-PhiS 58, Nr. 8, 2009, S. 19 - 26


• Videoanalyse zeigt aber auch: oberer

Bierschaumrand manchmal problematisch



• Darstellung des Bewegungsablaufes

eines Weitsprungs

4.2 Weitsprung

Bild anklicken!

T. Mück, T. Wilhelm: Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 58, Nr. 7, 2009, S. 19 - 27


• Schiefer Wurf des Körperschwerpunkts:

4.2 Weitsprung


Vergleich mit der berechneten Kurve • Absprungtempo (aus Tabelle):

• Absprungwinkel (abgelesen):

• „Absprunghöhe“ (abgelesen):

s

mv 5,00,6

2230

mh 05,070,00

4.2 Weitsprung


• Erstaunlich gute Approximation:

4.2 Weitsprung

• Variation des Absprungtempos um je 1 sm


• Weitere Möglichkeit: – Analyse vieler Körperpunkte:

• Kopf, Ellenbogen, Hand, Hüfte, Knie, Füße

– Verbinden entsprechender Punkte

– Ergebnis: vereinfachte Darstellung der Körperbewegung

4.2 Weitsprung


• Weitere Möglichkeit: – Analyse vieler Körperpunkte:

• Kopf, Ellenbogen, Hand, Hüfte, Knie, Füße

– Verbinden entsprechender Punkte

– Ergebnis: vereinfachte Darstellung der Körperbewegung

4.2 Weitsprung


• Drehimpulserhaltung:

4.2 Weitsprung


Optimierung der Sprungweite durch die

Hangsprungtechnik:

4.2 Weitsprung


4.3 Stabhochsprung

• Film:

• Alternative

Darstellungs-

möglichkeit:

Stroboskopbild-

aufnahme


•Energieerhaltungsprozess, veranschaulicht

durch dynamische Diagrammentwicklung

4.3 Stabhochsprung

E_ges

E_pot

E_kin

Bild anklicken!

Stabhochsprung_Energiediagramme.prj


4.4 Joggen

• Beim Joggen macht der Kopf eine vertikale harmonische

Schwingung:


4.4 Joggen

• Vertikale Orts- und

Geschwindigkeits-

komponente:

• Vertikale

Geschwindigkeits-

und

Beschleunigungs-

komponente:

Punkte sind

Messwerte,

Linie ist

Modellierung

Punkte sind

Messwerte,

Linie ist

Modellierung


4.5 Fußball

Flugkurve beim Einwurf: Bewegungsablauf beim Schuss:

Bewegungsablauf beim Kopfball:


Zeitlicher Verlauf

des Geschwindigkeitsbetrags

4.5 Looping

M. Schüttler; T. Wilhelm: Bewegungsanalyse im Freizeitpark,

PdN-PhiS 60, Nr. 6, 2011, S. 18 - 24


4.6 Modellgas

• Rüttelkammer mit Bleikugeln und einer

Holzkugel (Rütteln regelbar)

²

²2 2( )m v c

vk T

mF v v e c v e

k T

zweidimensionale Projektion eines

dreidimensionalen Gases

Verteilungsfunktion


4.6 Modellgas

• Zehn Datensätze bei

verschiedenen

Rüttelspannungen

aufgenommen

• Überlegung U² ~ T

passt zu den

Messwerten:

T/T0 = c0/c ~ U²


4.6 Modellgas

• Bestätigung der

Einstein-

Smoluchowski-

Beziehung:

• Es gilt:

also <v²> ~ T

²3

k T tx

r

Tm

kv 3²


4.7 Hochgeschwindigkeitsvideos

• Früheres Problem: Geringe Abtastrate von nur

12,5 oder 25 oder 30 fps (Frames per Second)

• Problematisch bei hohem Tempo oder

kurzen großen Beschleunigungen

• Seit Frühjahr 2008: neue Kameras von Casio mit

Highspeedfunktion (CMOS-Sensoren)

• Produktpalette ändert sich ständig, bis 1.000 fps

• Damit gibt es neue Möglichkeiten der

Videoanalyse.


HD-Kameras mit Highspeed-Funktion und

avi-Ausgabe (meiste nicht mehr

produziert, nur gebraucht zu haben):

• Casio EXILIM EX-FS10

• Casio Exilim EX-FH100

• Casio Exilim EX-FC100






• Beispiel: Fallende Metallkugel trifft auf Glasplatte

• Verwendet: 100 fps

M. Michel & T. Wilhelm:

Dynamik mit Hochgeschwindigkeitsvideos

In: PdN-PhiS 59, Nr. 7, 2010, S. 23 - 30

Energien_beim_Fallen_exportiert.avi



• Beispiel: Durchrollen eines Loopings mit

Reibung

../../_Veröffentlichungen alt/2010 Hochgeschwindigkeitskamera PdN/Online-Videos/Looping_ohneFeder10x.avi



• Beispiel: Durchfahren eines Loopings mit

antreibender Feder

../../_Veröffentlichungen alt/2010 Hochgeschwindigkeitskamera PdN/Online-Videos/Looping_mitFeder10x.avi



• Beleuchtung:

Zwei Baustrahler (je 20 €)

+ eine Diffusorfolie (20 €)


4.8 Weitere Beispiele

• Auf Wunsch weitere Beispiel im Workshop:

– Springen

– Joggen

– Fußball

– Tennis

– Impulserhaltung

– Energieerhaltung

– Wurfbewegungen

– etc.

24.2.2014

5. Unterrichtskonzept mit

Forschungsergebnissen

Kooperation mit:

Dr. Verena Tobias, LMU München

Dr. Christine Waltner, LMU München

Prof. Dr. Martin Hopf, Universität Wien

Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner, LMU München

Wien


• Newtonsche Mechanik eines der schwierigsten

Inhaltsgebiete. Gründe:

– Schülervorstellungen

– Sachstruktur

– Ungeeignete Darstellungen

• Studien zeigen, selbst in der Klasse 7 bzw. 11. Jgst. haben

nur wenige die Grundideen der Mechanik verstanden.

• Physikdidaktiken dreier Unis arbeiteten zusammen:

– Konzept und Materialien zur Einführung in die Mechanik

7. Jahrgangsstufe (D) entspricht Klasse 3 (Ö)

– bekannte Sachstruktur weiterentwickelt

5.1 Grundideen des Konzeptes



Die zwei wesentlichen Unterschiede zum traditionellen

Mechanik-Unterricht:

• Dynamik vor Statik (nach Reihenfolge und Gewichtung)

– Kraft wird eingeführt über Bewegungsänderungen.

– Nur als Spezialfall: Körper bleibt in Ruhe bei Kräftegleichgewicht.

– Erst später: Zwei gegengleiche Kräfte an einem ausgedehnten

Körper können ihn verformen (→ Hooke‘sches Gesetz).

• 2-dim vor 1-dim Bewegungen (Reihenfolge und Gewichtung)

– Von Anfang an allgemeine zweidimensionale Bewegungen

– Betonung der Richtung aller Größen

– Darstellung mit Pfeilen statt mit Diagrammen



Begründung:

• In der Statik lernen die Schüler falsch:

– Kräftegleichgewicht bedeutet Ruhe.

– Ist eine Kraft größer, bewegt sich der Körper augenblicklich in

Richtung der größeren Kraft. Die Bewegung geht immer in

Kraftrichtung.

– Kraft und Gegenkraft greifen am gleichen Körper an.

– Wechselwirkungsprinzip wird nicht bedacht.

– „Trägheit = am gleichen Körper angreifende Gegenkraft“ wird von

Statik unterstützt.

– Die Dauer der Krafteinwirkung spielt keine Rolle.



Begründung:

• Bei 1-dim Bewegungen lernen Schüler falsch:

– Alle Größen sind skalare Größen (Zahlen).

– Ort = Weg

– Geschwindigkeit = Tempo

– Beschleunigung = Schneller/langsamer werden

– Für Kreisbewegung mit konstantem Tempo ist keine Kraft nötig.



• In der Sek. I wird bei der Einführung auf einiges verzichtet:

– Keine Beschleunigung

– Praktisch keine Rechenaufgaben

– Keine Diagramminterpretation

– Kein Spezialwissen, nur grundlegendes Verständnis

– Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche Bewegungsgleichung)

nicht experimentell und induktiv herleiten, sondern mitteilen und

plausibel machen!

– Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche Bewegungsgleichung)

nur in der vereinfachten Produktform

– Kein Grenzübergang, d.h. nur Durchschnittswerte, keine

Momentanwerte

– Kaum Behandlung von Kraftwandlern, erst bei Energie!

vmtF


5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept

• Beginn mit allgemeinen zweidimensionalen Bewegungen

• Beschreibung einer Bewegung:

Um die Bewegung eines Gegenstands zu beschreiben,

muss zu bestimmten Zeitpunkten festgestellt werden, wo

sich der Gegenstand befindet.


• Tempo (als Geschwindigkeitsbetrag)

• Richtung (als augenblickliche

Bewegungsrichtung)

• Geschwindigkeit: Kombination von Tempo und Richtung

• Geschwindigkeit wird mit Pfeil dargestellt

• Hilfreich: Videoanalyse, die Geschwindigkeitspfeile ins Video zeichnen kann

t

sv

Zeitbenötigte

WeggterzurückgeleTempo



• Zusatzgeschwindigkeit als eigenständige Größe

(als Elementarisierung der Beschleunigung)

v

Bitte anklicken!


Eisenbahn_konstantes Tempo.prj


• Der zentrale Versuch mit Videoanalyse:



• Die Zusatzgeschwindigkeit ist

Folge einer Einwirkung.

• Die Richtung der Einwirkung und die

Richtung der Zusatzgeschwindigkeit

sind gleich.

• Die Zusatzgeschwindigkeit wird

durch einen Pfeil dargestellt. Der

Pfeil von zeigt von der Pfeilspitze

von zur Pfeilspitze von .

v

v

v

Av

Ev



• Simulation zum senkrechten Stoß als unabhängiges

Programm

www.thomas-wilhelm.net/simu_stoss.zip



• Einwirkungsstärke und Einwirkungsrichtung werden

zusammengefasst „Kraft“ genannt.

• Die Zusatzgeschwindigkeit ist umso größer,

– je größer die Einwirkungsstärke ist,

– je länger die Einwirkungsdauer ist,

– je kleiner die Masse des Gegenstands ist.

• Zusammengefasst:

• Das ist eine elemantarisierte Form des zweiten

Newtonschen Axioms.

• Die Produktform ermöglicht plausible Je-desto-

Beziehungen zu formulieren, die den Schülern kaum

Schwierigkeiten bereiten.

vmtF



• Es folgen:

– Sehr viele Alltags-Anwendungen dieser Newtonschen

Bewegungsgleichung

– Das Beharrungsprinzip als Spezialfall (= 1. Newtonsches Axiom)

– Das Wechselwirkungsprinzip (= 3. Newtonsches Axiom)

– Verschiedene Kraftarten

– Kräfteaddition (aber keine Kräftezerlegung!)

– Kräftegleichgewicht



Erstellt für Forschungsprojekt für 7. Jgst

in Bayern zu engem bayerischen

Lehrplan

Mit Experimenten und Aufgaben

Buch erhältlich als pdf unter:

www.thomas-wilhelm.net/2dd

Lehrer bekamen DVD mit

Unterrichtsmaterialien

Materialien z.T. downloadbar unter:

http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/

inhalt_materialien/mechanikkonzept/index.html


http://www.thomas-wilhelm.net/2dd



http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/inhalt_materialien/mechanikkonzept/index.html








5.3 Design der Studie

• Ablauf der Studie:


• Drei Teilstudien:

– Vorstudie: 14 Lehrkräfte erproben in 19 Klassen

– Hauptstudie: 10 Lehrkräfte unterrichten in 27 Klassen

– Nachfolgestudie: 8 Lehrkräfte unterrichten

• Forschungsmethoden:

– Quantitativ: Verständnistest, fachspezifisches Selbst-

konzept, Interesse am PU, Selbstwirksamkeits-

erwartung (jeweils Prä – Post – FollowUp)

– Qualitativ: Lehrerinterviews, Schülerinterviews,

Videoanalyse einer ausgewählten Unterrichtsstunde

5.3 Design der Studie


5.4 Qualitative Ergebnisse

• Unterrichtstagebücher:

– In Kontroll- und Treatmentgruppe: Unterricht an den jeweiligen

Lehrmitteln orientiert (gängige Bücher bzw. ausgehändigter

Lehrtext).

– Materialbereitstellung ist ein effektives Mittel bei der

Implementation.

• Schülerinterviews:

– Die Beschreibung von Bewegungen durch den vektoriellen

Geschwindigkeitsbegriff mit den Aspekten Tempo und Richtung

bereitet den Lernenden keine Schwierigkeit.

– Qualitativ von fast allen Lernenden verstanden:

• Zusammenhänge von Kraft, Masse, Einwirkdauer und Zusatzgeschwindigkeit

• Beitrag von Anfangs- und Zusatzgeschwindigkeit zur Endgeschwindigkeit

– Quantitative Konstruktionen von Zusatz- und Endgeschwindigkeit

etwa durch die Hälfte der Lernenden anwendbar.


• 2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept:

Höchst signifikanter

Unterschied

mit großer

Effektstärke

5.5 Ergebnisse im Verständnistest


• 2 Items zum traditionellen Konzept:

Kein signifikanter

Unterschied



• 13 Items zum Grundverständnis:

Höchst signifikanter

Unterschied

mit mittlerer

Effektstärke



• Interaktionseffekt zwischen Gruppe und Geschlecht: – In Kontroll- und Treatmentgruppe sind die Jungen den Mädchen

in Vorwissen hoch bzw. höchst signifikant überlegen.

– Unterschiede bleiben in der Kontrollgruppe bestehen oder wachsen.

– In Treatmentgruppe nach Unterricht keine signifikanten Unterschiede! Die Mädchen holen also auf!

Kontrollgruppe Treatmentgruppe

Jungen Mädchen Signifik. Jungen Mädchen Signifik.

Vortest 3.18 2.68 ** 3.13 2.53 ***

Mittelwerte nach Geschlechtern (** hoch signifikant, *** höchstsignifikant)


Kontrollgruppe Treatmentgruppe

Jungen Mädchen Signifik. Jungen Mädchen Signifik.

Vortest 3.18 2.68 ** 3.13 2.53 ***

Nachtest 4.62 3.94 ** 5.57 5.18 n. s.

Zeitverzögerter

Nachtest 4.58 3.64 *** 5.25 4.76 n. s.


5.6 Lehrerakzeptanz

• In Treatmentgruppe:

– Alle 10 Lehrkräfte wollen auch zukünftig so unterrichten.

– Einige Lehrkräfte fungierten als Multiplikatoren an ihren Schulen.

• Beispielzitat:

– „Mit der Newtonschen Bewegungsgleichung sind sie eigentlich

ganz gut umgegangen … da konnten sie Phänomene erklären …

Also da war ich echt erstaunt … sehr, sehr gut im Vergleich zu

den Klassen vorher … sogar so gut, dass ich das dann auch in der

10. Klasse mal zerteilt habe - die Beschleunigung - … das hat

auch denen geholfen … Prima!“ (Lehrperson 5)


5.7 Ergebnisse

• Schülerinterviews und Verständnistestes zeigen:

– Schüler erreichen größeres Verständnis (höchst signifikanter

Unterschied mit mittlerer Effektstärke)

– Mädchen holen auf.

• Lehrerinterviews und Unterrichtstagebücher zeigen:

– Materialbereitstellung ist ein effektives Mittel bei der

Implementation neuer Ideen.

– Lehrkräfte akzeptieren das Konzept und wollen nur noch so

unterrichten.

• Für das Konzept und die Evaluation:

– Zweiter Platz 2011 beim ersten, bundesweiten Polytechnikpreis

der Polytechnischen Gesellschaft bzw. bestes Physikprojekt

24.2.2014

6. Passende

Lehrerhandbücher

Wien



Universität Frankfurt


• Kernpunkte des erprobten

Unterrichtskonzeptes

• ausführliche Darstellung

• mit umfangreichen Unter-

richtsmaterialien auf DVD

• Titel: WIESNER, H.; WILHELM, T.;

RACHEL, A.; WALTNER, C;

TOBIAS, V.; HOPF, M.:

Mechanik I: Kraft und

Geschwindigkeitsänderung

In: Reihe Unterricht Physik,

Band 5, Aulis-Verlag, 2011

6.1 Lehrerhandbuch I


Gliederung:

1 Einführung des Themenbereichs Mechanik

2 Beschreibung von Bewegungen

3 Geschwindigkeit

4 Änderungen von Geschwindigkeiten – die

Zusatzgeschwindigkeit

5 Newtonsche Bewegungsgleichung,

(träge) Masse und Kraft

6 Vergleich von trägen Massen mithilfe von

Stoßversuchen


Forschungsprojekt

Erweiterung


• Beispiele für Videos und Videoanalysen auf der

DVD des Lehrerhandbuches I:


../../_Veröffentlichungen alt/2011_11 Mechanik I Aulis/_DVD Videos zu Buch/2_Videos mit Pfeilen/02_Auto_Tischkante/Auto_Tischkante_4_Zusatzgeschwindigkeit.avi

../../_Veröffentlichungen alt/2011_11 Mechanik I Aulis/_DVD Videos zu Buch/2_Videos mit Pfeilen/05_Schiefer_Autowurf/Schiefer_Autowurf_4_Zusatzgeschwindigkeit.avi

../../_Veröffentlichungen alt/2011_11 Mechanik I Aulis/_DVD Videos zu Buch/2_Videos mit Pfeilen/08_Carrera_Kurve/Carrera_Kurve_4_Zusatzgeschwindigkeit.avi

../../_Veröffentlichungen alt/2011_11 Mechanik I Aulis/_DVD Videos zu Buch/2_Videos mit Pfeilen/16_Luftkissentisch_Randstoss/Randstoss_4_Zusatzgeschwindigkeit.avi

../../_Veröffentlichungen alt/2011_11 Mechanik I Aulis/_DVD Videos zu Buch/2_Videos mit Pfeilen/04_Looping_mitFeder/Looping_mitFeder_4_Zusatzgeschwindigkeit.avi

../../_Veröffentlichungen alt/2011_11 Mechanik I Aulis/_DVD Videos zu Buch/2_Videos mit Pfeilen/01_Kugelstoß/Kugelstoß_4_Zusatzgeschwindigkeit.avi


• Fortsetzung vom Lehrerhandbuch I

• Erweiterung des ursprünglichen Konzeptes

• lehrplanunabhängig, ausführliche Darstellung

• Konzeptbeschreibung für die Sek. I

• mit sehr umfangreichen Unterrichtsmaterialien

auf DVD

• Titel:

WILHELM, T.; WIESNER, H.; HOPF, M.; RACHEL, A.:

Mechanik II: Dynamik, Erhaltungssätze, Kinematik

In: Reihe Unterricht Physik, Band 6, Aulis-Verlag

6.2 Lehrerhandbuch II


6.2 Lehrerhandbuch II

Gliederung:

1. Anwendungen der Newton‘schen Bewegungsgleichung

2. Das Beharrungsprinzip

3. Das Wechselwirkungsprinzip

4. Der Impulserhaltungssatz

5. Die Erdanziehungskraft

6. Dehnung und Hooke’sches Gesetz

7. Kräfteaddition und Kräftegleichgewicht

8. Reibungskräfte

9. Der Energieerhaltungssatz

10.Kinematik

Forschungs

-projekt

Erweiterung

24.2.2014

6.3 Entscheidungen zur Sachstruktur

Beharrungsprinzip:

Betonung: Ohne Krafteinwirkung behält ein Körper Tempo und

Richtung.

Kein Behandeln von Trägheitskräften, sondern immer Beschreibung

aus der objektiven Sicht des außenstehenden Beobachters

Deutlich machen: Dem mitbewegte Beobachter erscheint es anders.

Wechselwirkungsprinzip:

Anwendung auf Fortbewegungen:

Auto, Flugzeug, Hubschrauber,

Sprinter, Raketen

Wien

24.2.2014

Impulserhaltungssatz:

Abgeleitet aus dem Wechselwirkungsgesetz 𝐹 1→2 = −𝐹 2→1

mit Hilfe von ,

dann experimentelle Bestätigung.

Erdanziehungskraft:

Auch konsequent ohne Beschleunigung behandelt

Hooke‘sches Gesetz:

Greifen an einem Körper an verschiedenen

Punkten zwei gleich große, entgegengerichtete

Kräfte an, ändert sich seine Geschwindigkeit nicht,

aber er kann verformt werden.

vmtF


Wien

24.2.2014

Kräfteaddition

Es gibt keine Kräftezerlegung!

Beispiel Hangabtriebskraft

Hervorheben der Wirkungslinie

Angriffspunkte nicht explizit


Wien

24.2.2014

Reibungskräfte

Einführung als Tangentialkräfte

Bedeutung der Haftkraft,

z.B. fürs Laufen

FPN

FWN

vA

vE

FWT

FPT


Wien

../../_Veröffentlichungen alt/2013_9 Mechanik II Aulis/1_Videos für UEs/V_8_1_Puck_Wandstoß.avi

24.2.2014

Der Energieerhaltungssatz

Keine Einführung der Energie über die Arbeit

Sondern erst Energieerhaltung, dann Arbeit

Beginn mit der kinetischen Energie

Eindimensionale Kinematik

An letzter Stelle nach Dynamik/Kräften/Erhaltungssätzen

In Gleichungen und Diagrammen: Komponenten vx und ax

Hier auch Unterrichtsvorschläge zur Beschleunigung


Wien


6.4 Materialien

• Bei allen Themen stehen sehr viele Videos von

Bewegungen auf DVD zur Verfügung.

• Jeweils auf drei Arten zur Auswahl:

– Videos zur Bearbeitung in jedem Videoanalyseprogramm

– Videoanalyseprojekte für „measure dynamics“, bereits

analysiert mit vielen Einblendungen

– Mehrere exportierte Videos mit Einblendung

verschiedener physikalischer Größen

• Dabei Darstellung physikalischer Größen über

bewegte Pfeile und andere Einblendungen

(dynamisch ikonische Repräsentationen).


• Beispiel: Videos zur Erdanziehungskraft

6.4 Materialien

../DPG 2013 Jena/Mechanikbuch/Vortrag/Fallbewegung_Zusatz_gestempelt exportiert.avi

../DPG 2013 Jena/Mechanikbuch/Vortrag/Zwei_Stahlkugeln.avi

../DPG 2013 Jena/Mechanikbuch/Vortrag/Fallbewegung_Geschwindigkeit exportiert.avi

../DPG 2013 Jena/Mechanikbuch/Vortrag/Fallbewegung_Ort exportiert.avi

../DPG 2013 Jena/Mechanikbuch/Vortrag/Affenschuss.avi


• Beispiel: Videos zur Haftkraft

6.4 Materialien

../DPG 2013 Jena/Mechanikbuch/Vortrag/Gehen über Kraftmessplatte.avi

../DPG 2013 Jena/Mechanikbuch/Vortrag/Gehen über Kraftmessplatte.avi


• Beispiel zur Kinematik

7.4 Materialien

../../_Veröffentlichungen alt/2013_9 Mechanik II Aulis/1_Videos für UEs/V_10_4_Geschwindigkeitspfeile_gedreht.avi


6.5 Zwei weiterführende Links

• Zum Videoanalyseprogramm „measure dynamics“:

– Infos, Materialien, Link zur Phywe und Literatur unter:

www.thomas-wilhelm.net/mD.htm

• Zum München-Würzburg-Wien-Projekt

„zweidimensional-dynamische Mechanik im

Anfangsunterricht“:

– Infos, Materialien, Schulbuch, Software und Literatur

unter:

www.thomas-wilhelm.net/2dd.htm

http://www.thomas-wilhelm.net/mD.htm



http://www.thomas-wilhelm.net/2dd.htm



24.2.2014

Vielen Dank für ihre

Aufmerksamkeit!

Wien


Workshop

Dienstag 14 bis 17 Uhr

Bitte eigenen Windows-Laptop mitbringen!

Software auf DVD vorhanden

Kameras vorhanden

24.2.2014

1. Erstellen von Videos –

Aufnahme und digitale

Weiterverarbeitung




Wien


1.1 Der Weg zum Video

• Aufnahme des

Experiments

• Früher:

Digitalisierung

• Evtl.

Nachbearbeitung


1.2 Die Filmaufnahme

• Die Szene sollte gut ausgeleuchtet sein,

damit es keine Probleme mit Schatten oder

langen Belichtungszeiten gibt

• Der Filmausschnitt

sollte möglichst gut

ausgenutzt werden.


1.2 Die Filmaufnahme

• Ein einheitlicher Hintergrund ist nicht zwingend,

aber sicher von Vorteil.

• Das gewählte und

zu analysierende

Objekt sollte in

Form und Farbe

möglichst

gleichmäßig sein.


1.3 Die möglichen Kameras

1. Klassische analoge Kamera mit Kassette

(analog, feste Zeitbasis, Datenverlust beim

Digitalisieren)

2. Digitale Videokamera mit Magnetband (DV, MiniDV)

(digital, feste Zeitbasis, unkomprimiert, großer

Speicherbedarf)

3. Komprimierende digitale Videokamera/Foto/Handy

(digital, feste Zeitbasis, komprimiert, direkt

verwendbar)

4. Web-Cam

(digital, keine feste Zeitbasis)


1.4 Bearbeitung der Videos

• Die Filme der komprimierenden Kameras (oder

Fotoapparate oder Handys) können als Dateien

schnell kopiert werden und direkt verwendet

werden.

• Programme zur Videonachbearbeitung (z.B.

MovieXone, VirtualDub, Adobe Premiere, ...).

Nachbearbeitungsmöglichkeiten:

Helligkeit, Kontrast, Farbanpassung,

Beschneiden der Filme (zeitlich und räumlich)

• Das Meiste ist aber auch im Videoanalyse-

programm „measure dynamics“ möglich.


1.5 Fertigstellung des Videos

• Export aus den Videobearbeitungsprogramm

im gewünschten Format und mit gewünschten

Codec!

• Verschiedene Formate: *.mov, *.avi, *.mpg,

*.mp4, ... (Containerformate)

• Verschiedene Codecs, z. B. CinePak,

Indeo 5.10, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4,

H.264


Ausblick

• An dieser Stelle: Praktische Übung

• Ablauf:

1. Gemeinsames Analysieren eines fertigen

Videos

2. Eigenes Spielen mit fertigen Projekten oder

Videos

3. Eigene Aufnahme und Analyse

4. Weitere Beispiele mit „measure dynamics“


Beispiele

2. Flugbahnen beim Fußball

3. Magnuseffekt

4. Vollspannstoß

5. Bewegung beim Kopfball

6. Sprunghöhe beim Kopfball

7. Springen

Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt

2. Videoanalyse von Flugbahnen

Durchführung des Versuchs nur im Freien möglich

Kameraausschnitt mit etwa 30 m Länge

Markierungshütchen in einem Abstand von 10 m

Sinnvoll, die x- und y- Komponente der Geschwindigkeit zu

betrachten

x-Komponente der Geschwindigkeit vx ändert sich kaum

y-Komponente wie beim senkrechten Wurf

Abstoß vom Boden


2.1 Abstoß vom Boden

Im Videoanalyseprogramm kann auch ein x-y-Diagramm

der Flugbahn erstellt werden, hier blau:

Aus Abschusswinkel φ und Abschusstempo v0 sowie die

Geschwindigkeitskomponenten vx und vy lässt sich die

theoretisch zu erwartende Flugbahn ohne Luftreibung

ermitteln (rot): 𝑦 𝑥 = −1

2

𝑔

𝑣0² 𝑐𝑜𝑠²𝜑𝑥2 + 𝑡𝑎𝑛𝜑 𝑥

Hier berechnete Kurve niedriger und kürzer als gemessene

Grund: Magnus-Effekt (Back-Spin)


2.2 Abschlag aus der Hand

Abschlag aus der Hand:

Höhere Starthöhe

Größerer Winkel möglich

Fast ohne Spin möglich

Gemessene und berechnete Kurve:

Grund für Abweichung: Luftreibung


Knetkugel Durchmesser ca. 4 cm

( = 1,39 kg/m³)

Kugel rollt Rinne (1,8 m lang)

leicht geneigt (8°) hinunter

Kugel trifft mit ca. 1 m/s leicht schräg

auf Wasseroberfläche

3.1 Kugel mit Magnuseffekt im Wasser


Ohne Magnuseffekt:

Kugel fällt gemäß Fallparabel im

Wasser nach unten.

Wegen Auftriebskraft müsste

Beschleunigung a = 2,7 m/s²

nach unten sein

Tatsächlich:

engerer Bogen

wieder nach links zurück

Videoanalyse (30 fps) ergibt:

Stroboskopbild

Geschwindigkeits- bzw.

Beschleunigungspfeile

Klicken für Video


../_Fußball 2014/Kugel_kinematisch.avi


Beschleunigung mal Masse ergibt

wirkende Gesamtkraft: rot

Gewichtskraft und Auftriebskraft

immer nach unten: violett

Differenz ergibt Kraft durch

Strömung:

tangentialer Anteil ist Reibungskraft

durch Strömungswiderstand: orange

radialer Anteil ist Magnuskraft: rosa

Klicken für Video


../_Fußball 2014/Kugel_Kräfte.avi


Papprolle (ca. 20 cm) bekommt

auf beiden Stirnflächen Scheiben ( 8 cm) aufgeklebt.

Dünner Holzstab (ca. 1 m) bekommt Stoffstreifen

(ca. 0,1 m breit, mind. 1 m lang) mit Reißnägeln befestigt.

Stoffstreifen eng und fest um die Rolle gewickelt

An Holzstab wird extrem fest gezogen.

3.2 Versuch zum Magnuseffekt in Luft


Rolle wird horizontal nach rechts beschleunigt.

Rolle bekommt Rotationsbewegung nach hinten (Backspin).


Ohne Magnuseffekt

fällt Rolle am

Tischende gemäß

Fallparabel nach

unten.

Tatsächlich Bogen

nach oben

Videoanalyse (30 fps)

liefert Stroboskopbild


In Videoanalyseprogramm „measure dynamics“:

Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungspfeile auf

Knopfdruck im Video

Klicken für Video


v

a

../_Fußball 2014/Rolle_kinematisch.avi


Klicken für Video


Beschleunigung mal

Masse ergibt

wirkende

Gesamtkraft: rot

Gewichtskraft sehr

klein nach unten:

schwarz

Differenz ergibt Kraft

durch Strömung:

tangentialer Anteil ist Reibungskraft durch

Strömungswiderstand: orange

radialer Anteil ist Magnuskraft: rosa

../_Fußball 2014/Rolle_Kräfte.avi


Erst rechtes Bein kleinen Schritt

linker Fuß (Standfuß) links neben den Ball

rechte, zu analysierende Fuß, holt aus, im Knie angewinkelt

Schussvorgang: erst Oberschenkel bewegt, dann

Unterschenkel (Schleuderbewegung)

Schließlich Ausschwungphase

4. Bewegungsanalyse beim Vollspannschuss

Klicken für Video

../_Fußball 2014/Schuss_exportiert.avi

Projekte/2Rückenwind.prj


5. Bewegungsabläufe beim Kopfball

Vorbereitung: Knie angewinkelt, Kopf nach hinten

Absprung durch Durchstrecken der Knie, Holkreuzhaltung

Kopfball: Klappmesserbewegung

Landung leicht in die Knie, um den Aufprall abzufedern.

Klicken

für

Video

../_Fußball 2014/Kopfball_exportiert.avi



Sprunghöhe im zeitlichen Verlauf: Tonpapier auf der Brust

Fußballer zunächst zum Schwungholen in die Hocke

dann hochspringen

am Ende zum Abfedern wieder in die Knie


Zeit

Höhe



Lohnenswert: Diagramminterpretation der Geschwindig-

keitskomponente vy (Vorbereitung auf Schwingung)


Zeit

Geschw

indig

keitskom

pon

ente

vy

Flugphase

Hocke

Hocke

oben



7. Springen

• Sprungbewegung ist aufzuteilen:

– In die Hocke Gehen zum Schwungholen

– Abdrücken

– Flugphase

– Landung mit in die Hocke

– Aus Hocke zurück zum Stand

• Im Unterricht nicht alles auf einmal,

sondern getrennt betrachten


7. Springen

• Videoanalyse: Strecksprung aus der Hocke in die Hocke:

Geschwindigkeit

Beschleunigung


7. Springen

• Videoanalyse: Strecksprung aus der Hocke in die Hocke:

Gemessen: Ort und Geschwindigkeit

Modell: Ort und Geschwindigkeit

Geschwindigkeit und

Beschleunigung


7. Springen

• Sprung aus dem Stand in den Stand (Videoanalyse des

Kopfes):

Vertikale

Komponente von:

Ort,

Geschwindigkeit,

Beschleunigung

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