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    • Institut für Physik - Didaktik der Physik

Smartphone App „PhyPhox“ – Bestimmung der Erdbeschleunigung

Dieser Artikel wird sich mit einer App für Smartphones beschäftigen, um verschiedene physikalische Größen mit Hilfe der Sensoren in den Telefonen zu bestimmen. Es handelt sich um die App PhyPhox. PhyPhox ist für alle Android und Apple Geräte kostenlos verfügbar. Inhaltlich soll es darum gehen, wie präzise die App arbeitet, wie benutzerfreundlich die Handhabung der App ist und welche Einstellungen und besonderen Feature diese App bietet.

 

 

Was bietet die App?

PhyPhox:

PhyPhox ist eine App, die am 2. physikalischen Institut der RWTH Aachen entwickelt wurde. Sie bietet ein breites Spektrum an verschiedenen Funktionen. Man kann mit ihr in der Mechanik, der Optik, Akustik und Elektrizitätslehre arbeiten. Die Menuführung ist sehr übersichtlich und einfach gehalten, sodass bei der Benutzung der App keine Probleme entstehen sollten. Bei PhyPhox gibt es mehrere Kategorien an Mess – und Versuchspunkten. Insgesamt gibt es über 20 verschiedene Versuche. Bei diesen Versuchen kann man zum einen auf die reinen Beschleunigungs – und Magnetfeldsensoren oder auf bereits fertige Experimente zurückgreifen. Im folgenden sind alle Sensoren und fertigen Versuche der App per Screenshot von der App übernommen.

sensoren experimente akustik

 

 

Man kann bei jedem Versuch folgende Einstellungen und Features finden:

einstellungen

 

  • Daten exportieren
  • Zeitautomatik
  • Fernzugriff aktivieren (von einem PC aus wird das Smartphone steuerbar)
  • Experiment Info (kurze Erklärung zum Experiment oder Sensor) oder Videoanleitungen auf YouTube
  • Screenshot teilen
  • Daten löschen

 

Die einzigen Schwierigkeiten gab es beim Fernzugriff. Die Verbindung zwischen dem Smartphone und dem PC trennte sich nach meinem Empfinden zu schnell und eine Neuverbindung funktionierte häufig nicht reibungsfrei. Ansonsten ist diese Funktion das vielleicht beste Feature dieser App, da man sich die Daten direkt in mehreren Formaten (Excel, CVS) auf seinen PC herunterladen kann und somit sofortigen Zugriff auf diese hat.

 

 

 

Datenaufnahme und -auswertung:

PhyPhox:

Für diesen Punkt habe ich zwei verschiedene physikalische Größen bestimmen wollen. Zum einen habe ich die Erdbeschleunigung über mehrere Varianten bestimmt. Der zweite Teil beschäftigt sich mit einem der bereits fertigen Experimente, die von der PhyPhox-App vorgegeben sind. Bei diesem Experiment geht es darum, die Geschwindigkeit eines kleinen Wagens, auf dem das Smartphone befestigt ist, zu bestimmen, indem das Smartphone das Magnetfeld von mehreren Magneten, die einen konstanten Abstand zueinander haben, auf einer bestimmten Strecke misst. Mehr dazu später.

Bestimmung der Erdbeschleunigung g:

Für diesen Versuche habe ich drei verschiedene Methoden verwendet. Zuerst die Bestimmung der Erdbeschleunigung über das Fadenpendel (Versuch I), als Zweites und drittes jeweils nur die Beschleunigungstenoren, wobei einer die Erdbeschleunigung mit einbezieht (Versuch II) und der andere nicht (Versuch III).

Generell kann man sagen, dass die Aufnahme der Messdaten in allen drei Fällen mit der Fernverbindung sehr gut funktioniert hat. Bei Versuch I habe ich das Smartphone mit der Schnur fixiert. Bevor man die Messung startet, muss man noch die Schnürlänge ausmessen und in die App eintragen. Alles weitere wird von der App selbstständig ermittelt. Nach mehreren Messreihen, konnte mir die App jedoch keine brauchbaren Werte für die Erdbeschleunigung ausgeben. Der Wert lag immer über 50 Metern pro Quadratsekunde. Somit entschloss ich mich das Smartphone an zwei Punkten zu fixieren, damit das Handy besser in der Eben schwingt. Somit war keine Rotation um den vorherigen Aufhängepunkt mehr möglich und der störende Einfluss konnte verbringt werden. In der folgenden Abbildung kann man erkennen, dass das Smartphone die Periodendauer und Frequenz deutlich zu hoch ermittelt hat, womit der hoheg-fadenpendel-falsch Wert für die Erdbeschleunigung erklärt sein kann. Dafür sollte die Rotation des Handys um den Aufhängepunkt verantwortlich sein. Die Abbildung rechts zeigt einen Ausschnitt der unveränderten Excel-Datei, die man sich direkt von der PhyPhox-App herunterladen kann.

 

 

Nachdem das Smartphone an zwei Punkten befestigt wurde und somit die Rotation um die Handyachse sehr klein gehalten wird, lieferte die App PhyPhox brauchbare Werte, auch wenn am Anfang der Messung wieder viel zu große Werte gemessen wurden, weil es sehr schwierig ist die Messung am PC zu starten und das Smartphone im selben Moment in Schwingung zu versetzen. Wenn das Smartphone sich jedoch „eingependeltfadenpendel-892“ hat, kann man mit PhyPhox brauchbare Messungen durchführen. Als bestes Ergebnis mit dem Fadenpendel konnte eine Beschleunigung von 8,92 Metern durch Quadratsekunde erreicht werden. Dieses Ergebnis ist natürlich unter Betrachtung der immer noch fehlerhaften Schwingung des Smartphones in Ordnung und somit im Rahmen. Mit einem deutlich fehlerreduzierten und präziseren Aufbau, können wahrscheinlich bessere Ergebnisse erzielt werden. Wie die App diesen Wert errechnet ist mir nicht klar geworden, wahrscheinlich wird es das arithmetische Mittel von alle Messdaten sein. Für das Fadenpendel sind weitere Funktionen enthalten:

  • Verlauf: hier kann man parallel den Verlauf von Periodendauer, Frequenz und der Erdbeschleunigung betrachten
  • Autokorrelation: hier wird die Schwingungsperiode über die Gyroskop-Vektoren ermittelt
  • Rohdaten: hier kann man die Gyroskop-Vektoren x,y und z parallel betrachten

 

Bei Versuch II wurde das Smartphone lediglich auf eine stabile und ruhige Unterlage gelegt. Für diesen Versuch wurde die Erdbeschleunigung mit dem Sensoren bestimmt, der die Erdbeschleunigung mit einbezieht. Man brauch für diesen Versuch also nur Messung starten und man erhält folgendes Ergebnis:einfach-mit-g graph-mit-g

Man kann sich bei diesem Sensor, die Messwerte in grafischer sowie einfacher Darstellung in Form von Zahlenwerten ausgeben lassen.

Das erzielte Ergebnis für die Erdbeschleunigung ist ziemlich genau und liegen recht nahe am Referenzwert.

 

 

 

 

 

Beim letzten Versuch für die Bestimmung der Erdbeschleunigung wurde der Sensor verwendet, der die Erdanziehung nicht mit einbezieht. Ruht das Smartphone, sind alle Beschleunigungen gleich 0. In diesem Versuch wurde das Smartphone aus einer festen Position auf eine weiche Unterlage fallen gelassen. Somit sollte das Smartphone in z-Richtung die Erdbeschleunigung messen. Die folgende Abbildung zeigt die Messwerte der ersten Sekunde, bis das Smartphone auf dem Kissen landet. Alle Werte danach sind nicht weiter von Bedeutung, da das Smartphone ab diesem Zeitpunkt schon einmal auf dem Boden gelandet ist. Wichtig hierbei zu beachten ist wieder z-Komponente der Beschleunigung. Ab einer Zeit von ca. 0,6 Sekunden befand sich das Handy im freien Fall. Ab diesem Zeitpunkt stellten sich Beschleunigungen ein, die in einem Bereich des Referenzwerts der Erdbeschleunigung liegen. Somit scheint auch dieser Sensor der Erdbeschleunigung bestimmen zu können. Was ihn für andere Messungen ebenfalls brauchbar macht.g-ohne-g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

didaktische Betrachtung:

Alle Experimente zur Bestimmung der Erdbeschleunigung lieferten unter den gegebenen Bedingungen brauchbare Ergebnisse. Ich bin mir sicher, dass mit einem guten Versuch, der mehr Planungszeit, einen stabilen Aufbau und eine präzise Durchführung bietet, noch bessere Ergebnisse erzielt werden können. Dies gilt besonders für den Versuch Fadenpendel.

Positiv für den Unterricht ist die besonders einfach Implementierung des Handys zum Messen. Man muss lediglich die richtige Funktion der App auswählen und das Gerät in der richtigen Art und Weise befestigen. Die Fernsteuerung über einen externen PC kann die Messungen diesbezüglich weiter vereinfachen. Besonders gut funktioniert die Übertragung der Messdaten. Wenn man im Unterricht den Fokus auf das Arbeiten mit Messwerten legen möchte, eignet sich PhyPhox gut, da man problemlos an Graphen und Messwerte herankommt. Durch die gute grafische Darstellung der Graphen, die auch eine Betrachtung der einzelnen Komponenten liefert, kann das Lesen und Interpretieren von Graphen gefördert werden. Des Weiteren kann durch die Verkürzung der Messreihen der Fokus weg von der Durchführung des Experiments und der Aufnahme der Messdaten, auf die Vorbetrachtungen, wie Erwartungen über den Ausgang des Experiments, und auf eine intensive Auswertung gelegt werden.

Ebenso können viele Messprozesse verkürzet und für die Schülerinnen und Schüler „zeitgemäßer“ gemacht werden, was motivierende und begeisternde Auswirkungen auf Seiten der Schülerinnen und Schüler mit sich bringen könnte.

Auf der anderen Seite sollte man berücksichtigen, dass die App für die Schülerinnen und Schüler nicht zeigen kann, wie die Messwerte aufgenommen werden und wie die Ergebnisse, z.B. das der Erdbeschleunigung,  berechnet werden. Es stellt für die Schülerinnen und Schüler, teilweise sogar für Lehrkräfte, eine Blackbox dar, was immer ein Problem darstellen kann, weil für die Schülerinnen und Schüler nicht schlüssig ist, wie die Messwerte „entstehen“.

Eine allgemeine Ergänzung, die mir besonders gut gefallen hat, ist die Möglichkeit eigene Experimente zu entwickeln. Diese Experimente können mit Hilfe eines Editors in das Wiki hinzugefügt werden. Der Link zu der Erklärung, wie man solche Einträge und Experimente erstellt, folgt: http://phyphox.org/de/home-de/

Aus meiner Sicht bietet die Entwicklung eigener Experimente durch die Schülerinnen und Schüler eine tolle Möglichkeit Physik auf eine andere Art und Weise zu erfahren, als sie in größtenteils in der Schule tun. Außerdem kann die Selbstständigkeit und Kreativität der Schülerinnen und Schüler gefördert werden. Sie können gestärkt eigene Interessen einbinden und an ihren sozialen Kompetenzen arbeiten. Es können hierbei klassen-, fächer- oder prinzipiell sogar schulübergreifende Projekte gestartet werden, was für die Schülerinnen und Schüler ebenfalls neue Erfahrungen darstellen kann.

persönliche Erwartungen und Erfahrungen:

Meine Erwartungen zu den Messungen, Darstellungen und Bestimmungen der Erdbeschleunigungen mit den unterschiedlichen Verfahren per PhyPhox wurden im Allgemeinen übertroffen. Ich habe nicht erwartet, dass die Messungen so problemlos funktionieren würden. Auch die Ergebnisse können sich definitiv sehen lassen, auch wenn besonders im Versuch Fadenpendel noch Verbesserungspotential vorhanden ist. Besonders gut haben mir mit die Darstellungsmöglichkeiten in Bezug auf Messwerte und Graphen gefallen. Auch wenn man besonders bei den Beschleunigungssensoren immer ein kleines Rauschen vorhanden ist, kann man die Graphen und Messwerte sehr gut in den Unterricht einbauen. Lediglich die schwer zu verstehenden bzw. nicht vorhandenen Beschreibungen zu den Berechnungen der jeweiligen Größen finde ich nicht gut, da für die Schülerinnen und Schüler nicht transparent dargestellt werden kann, wie die App seine Messwerte in physikalische Größen umwandelt.

Allgemein gesehen wurden meine Erwartungen an PhyPhox wurden im Wesentlichen übertroffen, da ich nicht erwartet habe, dass die App so breit gefächert daherkommt. Die vielen nützlichen Features und sinnvollen Einstellungsmöglichkeiten haben mich überzeugt und ergänzen die Sensoren und fertigen Experimente perfekt. Die App wirkt trotzdem nicht überladen an Funktionen und ist leicht bedienbar. Ich konnte in einer relativen kurzen Zeit, auch dank der jeweiligen Experimentierinformationen, viele verschiedene Messreihen aufnehmen. Es bedarf keiner großen Einarbeitungszeit, was aus meiner Sicht besonders für die Schule ein relevanter Faktor ist. Auch die anderen Sensoren und Versuche schienen beim ersten Eindruck und Rumprobieren gut zu funktionieren, um sie im Unterricht zu verwenden. Verbesserungswürdig ist lediglich, falls dieses Problem nicht nur beim mir auftreten sollte, die Verbindung des Fernzugriffs zu verbessern. Dieses Problem kostet mich vor allem einige Nerven, da ich nicht ausmachen konnte, woher die Verbindungsprobleme kamen und sehr häufig aufgetreten sind.

7. Dezember 2016 | Veröffentlicht von Tom Leonhardt
Veröffentlicht unter Allgemein, Smartphone & Tablet

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