• Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    • Institut für Physik - Didaktik der Physik

Schiefe Ebene – Trägheitsmoment einer Rolle mit einem Smartphone bestimmen

Im Rahmen des Vorpraktikums der Kombinationsbachelor-Physikstudenten/innen des ersten Semesters an der Humboldt-Universität wurden wir, die Teilnehmer des Seminar „Experimentieren:digital“ im Kombinationsmaster im Fach Physik, mit der Aufgabe versehen eine Experimentierstation mit digitalen Messwerterfassungsystemen zu entwickeln.

Ich habe mich entschieden eine Station mit einem Smartphone zu entwickeln. Hierzu habe ich die bereits oft verwendete App PhyPhox genutzt. Der Vorteil von PhyPhox besteht darin, dass man bereits vorgefertigte Versuche nutzen kann. Ich habe mich für den Versuch „Rolle“ entschieden und diesen erweitert. Bei diesem Versuch kann mit Hilfe einer Rolle, in der man das Smartphone platziert, die Winkelgeschwindigkeit bestimmen. Aus der Winkelgeschwindigkeit und weiteren messbaren Größen sollten die Studierenden das Trägheitsmoment der Rolle bestimmen.

Alle Materialen sind im folgenden als PDF-Dateien einzusehen:

Arbeitsblatt

Erwartungshorizont

Kompetenzentwicklung

Lösungen

Vorgespräch & Nachgespräch

 

Didaktische Begründung des Experiments:

Aus didaktischer Sicht bietet dieser Versuch ein großes Potential, um den Unterricht im Bereich der digitalen Medien zu bereichern. Denn mit Hilfe des Smartphones und der App PhyPhox kann man das komplexe Thema Trägheitsmoment und Trägheitsmomentbestimmungen vereinfachen. Auch wenn der Versuch viele Themen der Mechanik verbindet, befinden sich diese auf einem mittleren Anforderungsniveau. Die Schwierigkeit bei diesem Versuchen liegt im Transfer und dem Aufstellen bei der Energiebilanz und dem Erkennen wirkenden Kräfte. Die Schülerinnen und Schüler lernen zuerst, wie Translationsgeschwindig und Winkelgeschwindigkeit miteinander verbunden sind. Anschließend sollte man klären, welche Kräfte an einer geneigten Ebene wirken und wie genau die Energiebilanz für dieses System aussieht. Wichtige Begriffe, die man an dieser Stelle einführen oder festigen kann, sind die Hangantriebskraft und die verschiedenen Energieformen. Denn bei einem rollenden Körper teilt sich die anfängliche potentielle Energie während der Bewegung in einen kinetischen und rotierenden Teil auf. Dieser Aspekt ist den Schülerinnen und Schülern häufig nicht klar oder gar bewusst. Dennoch steht der vielschichtigen theoretischen Vorbetrachtung eine Menge an praktischer Arbeit beim Experimentieren gegenüber. Die Schülerinnen und Schüler müssen bei der Planung und beim Aufbau wesentliche Punkte beachten. Diese Punkte sind z.B.:

  • die Lage des Smartphones in der Rolle muss möglichst fest und zentral sein
  • der Sensor des Smartphones hat einen Grenzwert für die Winkelgeschwindigkeit (variiert von Smartphone zu Smartphone), was wiederum wichtig für den Aufbau ist
  • generell sollte ein stabiler und funktionaler Aufbau vorliegen

 

Des Weiteren können die Schülerinnen und Schüler bei diesem Experiment eine Menge in der Durchführung und Auswertung von Experimenten lernen. Denn bei diesem Versuch ist es wichtig alle Messwerte zeitsparend und übersichtlich aufzunehmen. Außerdem ist die Darstellung der Messdaten und der Ergebnisse in korrekter Form wichtig, da man bei diesem Experiment viele verschiedene Größen in einer Auswertung zu betrachten hat. Somit können sich die Schülerinnen und Schüler in der Arbeit mit Messdaten weiterentwickeln. Ebenso wird der Umgang mit Messfehlern und Messunsicherheiten trainiert. Die Schülerinnen und Schüler müssen sich hinterfragen, welche Messfehler auftreten und wie man sie am besten quantifiziert. Der letzte Punkt bei denen die Schülerinnen und Schüler vor allem im kognitiven Bereich gefördert werden, liegt bei der Entwicklung eines Referenzwertes. Denn was bringt einem eine scheinbar gute Messung, wenn man seine Ergebnisse nicht mit einem Referenzwert vergleichen kann. Für diese letzte Aufgabe sollten sich die Schülerinnen und Schüler überlegen, aus welchen Teilkörpern die Rolle besteht. Anschließend kann man eine Näherung aus den Trägheitsmomenten eines Quaders und eines Hohlzylinders erstellen, die als Referenzwerte fungiert.

persönliche Bewertung des Experiments im Vorpraktikum:

Für mich hat sich das Experiment als Erfolg dargestellt. Im Verlauf des Vorpraktikums absolvierten insgesamt 5 Gruppen diese Experimentierstation. Bei den Vorgesprächen habe ich registriert, dass dieser Versuch definitiv in der Sekundarstufe II eingesetzt werden sollte. Viele Studierenden hatte am Anfang Probleme die wirkende Kräfte und die Energiebilanz fehlerfrei zu nennen. Ebenso war der Zusammenhang zwischen Translations- und Winkelgeschwindigkeit nur Wenigen bekannt. Anhand der Protokolle konnte ich jedoch erkennen, dass meine gesetzten Ziele für diesen Versuch mindestens von allen im guten Bereich erfüllt wurden. Somit bin ich mit der Konzipierung und den Ergebnissen des Experiments zufrieden, was mich dazu bringt diesen Versuch mit großer Sicherheit später in der Schule in den Unterricht zu integrieren. Ich habe bereits von einem bekannten Physiklehrer die Anfrage bekommen, ob ich diesen Versuch an seiner Schule vorstellen möchte.

Trotzdem sind mir während der Experimentierphase im Vorpraktikum mehrere Verbesserungen aufgefallen, die man mit ausreichend Zeit anpassen sollte. Besonders das Auflösungsvermögen der Sensoren in den Smartphones wird sich in den kommenden Jahren verbessern, was am Anfang ein großes Problem war, da der Sensor nur eine begrenzte Winkelgeschwindigkeit auflösen kann. Ebenso sind Verbesserungen an der Ebene, der Rolle und Aritierung des Smartphones angebracht, um die Genauigkeit der Ergebnisse zu verbessern.

30. Mai 2017 | Veröffentlicht von Tom Leonhardt
Veröffentlicht unter Allgemein, Smartphone & Tablet
Verschlagwortet mit

Schreiben Sie einen Kommentar

(erforderlich)