Archiv für Kategorie Smartphone & Tablet

Experimentieren mithilfe des Smartphones II

Untersuchung von Mikroschwankungen

Wie bereits erwähnt, treten Mikroschwankungen bei Messungen auf, die neben den Peaks der „echten“ Messwerte verhältnismäßig klein erscheinen und somit die Experimente nicht behindern. Es stellt sich aber die Frage, ob diese Mikroschwankungen tatsächliche Schwankungen der gemessenen Größen widerspiegeln oder es sich um Ungenauigkeiten bei der Messung handelt.

Da es sich um ein Smartphone handelt, könnte man zuerst die Annahme aufstellen, dass das Halten des Smartphones durch leichtes Zittern der Hand oder ähnliche Fixierungsprobleme fehlerhaft ist und damit zu Problemen führt. Doch auch eine Fixierung des Smartphones führt zu vergleichbaren Messschwankungen, daher kann dieses Problem ausgeschlossen werden.

Eine mögliche Annahme ist, dass tatsächliche Schwankungen der Messgröße vorliegen und gemessen werden.
Um das zu untersuchen, wurde das Smartphone aufgehängt und die Daten des Beschleunigungssensors („Beschleunigung mit g“) ausgelesen. Es trat weiterhin ein leichtes Zittern in den Messwerten auf (1). Aus den Messwerten wurde manuell der Anteil der Gravitationskraft, der durch eine mögliche Schräglage des Sensors entstanden sein konnte, herausgerechnet. Aus den restlichen Beschleunigungswerten wurde nun über Integration eine leichte Geschwindigkeitsentwicklung festgestellt (2).
Diese Geschwindigkeit bewegte sich in einem so geringen Rahmen, dass es für das menschliche Auge nicht sichtbar gewesen wäre. Daher wurde die Messung über einen genügend langen Zeitraum durchgeführt und über eine weitere Integration die zurückgelegte Strecke ermittelt (3).
Diese Strecke wäre durch die Aufhängung nicht möglich gewesen, was im Umkehrschluss bedeutet, dass die Messschwankungen keine tatsächlichen Beschleunigungen widerspiegeln, sondern auf Fehler in der Messung zurückzuführen sind.
Doch woher können diese stammen?

Um das Problem zu verstehen, ist ein Verständnis der Funktionsweise des Beschleunigungssensors vonnöten. Im Prinzip besteht der Sensor aus einem Kondensator, dessen Plattenabstand durch eine Feder verändert werden kann. Wirkt eine Kraft, ändert sich der Abstand und damit die Kapazität des Kondensators. Der daraus resultierende Strom wird gemessen und damit die wirkende Kraft berechnet.
Diese Kapazitätsmessungen bewegen sich im pico-Farat-Bereich, sodass bereits kleine Stromschwankungen zu Schwankungen im angezeigten Ergebnis führen können. Kleine Stromschwankungen sind aber durch handyinterne Magnetfelder u.Ä. unumgänglich und damit auch die Schwankungen der angezeigten Daten.
Das Problem liegt also in der Genauigkeit der eingebauten Sensoren.

Um zu verdeutlichen, dass zufällige Schwankungen, selbst wenn sie im Schnitt null sind, zu genau dem beobachteten Ergebnis führen können, wurden Zufallszahlen, die im Schnitt null ergaben ebenfalls zweimal integriert. Das führte zu vergleichbaren Ergebnissen (4, 5, 6).

Die Mikroschwankungen sind also höchstwarscheinlich das Resultat handyinterner Ungenauigkeiten an den Sensoren und sollten daher ignoriert werden. Neben den Peaks sind sie aber vorteilshafterweise kaum zu erkennen, sodass Messungen von ausreichend hohen Größen problemlos durchzuführen sind.

 


(1) Gemessene Beschleunigung     (2) Berechnete Geschwindigkeit           (3) Berechneter Weg

 

   
(4) Zufallszahlen: Beschleunigung    (5) Berechnete Geschwindigkeit             (6) Berechneter Weg

 

 

15. Februar 2018 | Veröffentlicht von Tobias Berchner | Kein Kommentar »
Veröffentlicht unter Smartphone & Tablet

Experimentieren mithilfe des Smartphones I

Smartphones benötigen gute Sensoren um den Nutzer mit vielfältigen Funktionen zu versorgen. Warum sollte man diese daher nicht ausgiebig nutzen? Könnte man sie vielleicht sogar zur Messung von physikalischen Größen im experimentellen Rahmen nutzen?

Das soll im Folgenden mithilfe der Smartphone-App phyphox untersucht werden.
Die App phyphox wurde aus verschiedenen Gründen ausgewählt. Zum einen besteht Kontakt zu den Entwicklern der App, sodass Probleme schnell gemeldet und behoben werden können. Zum anderen sticht sie laut Aussagen eines anderen Seminares aus der Menge der Apps, die sich auf diesem Gebiet bewegen, hervor.
Ein nicht unwesentlicher Aspekt zur Untersuchung der App im Rahmen eines Seminars ist, dass sie kostenlos zur Verfügung steht.

Was kann phyphox?
phyphox kann die Rohdaten der Sensoren, die in einem Handy verbaut sind, auslesen, verarbeiten und anzeigen. Das betrifft den Beschleunigungssensor, das Gyroskop, den Lichtsensor, das Barometer, das Magnetometer und die GPS-Daten. Außerdem steht das Mikrofon zur Verfügung, das akustische Signale verarbeiten kann.
Viele der Rohdaten werden in Diagrammen dargestellt, was lästige Zahlenkolonnen vermeidet und eine einfache qualitative Auswertung ermöglicht. Zur quantitativen Auswertung können die Daten exportiert werden, um eine genauere Untersuchung zu ermöglichen.
Desweiteren sind bei der App bereits viele Ideen zur Datenverarbeitung vorprogrammiert, eigene Programme können mit verhältnismäßig wenig Aufwand geschrieben und direkt eingebunden werden. Diese Verarbeitung der Rohdaten sorgt dafür, dass man nicht von der Masse der Rohdaten erschlagen wird und diese erst einmal auswerten muss, sondern sich gleich die essentiellen Daten zurückgeben lassen kann. Daher kann die App zum Messgerät der Wahl umprogrammiert werden.

Die Nutzeroberfläche ist simpel und strukturiert gehalten (1), im Allgemeinen ließ sich die App ohne Anleitung intuitiv bedienen. Das spricht für das Design, aber auch für die bereits erwähnten vorgeschlagenen Experimente, die damit durchzuführen sind (2).

Auffällig sind vor allem die starken Schwankungen bei einer Messung. Beginnt man eine Messung liefert die App aufgrund der hohen Genauigkeit und der relativen Skala erst einmal ein Zickzackmuster, das den Beobachter leicht verwirren kann (3). Kommt man jedoch zum Experiment, relativieren sich diese Schwanken zu einem leichten Hintergrundrauschen (4), das einer qualitativen Auswertung nicht im Wege steht. Offen ist noch, ob die Schwankungen tatsächlichen, gemessenen Schwankungen entsprechen oder lediglich von den Sensoren produziert sind. Das soll noch untersucht werden.

Nach dem ersten Eindruck, ist die App also durchaus dazu geeignet, mit wenig Aufwand verwendet zu werden, bietet aber auch mit einiger Programmiererfahrung die Möglichkeit komplexere Untersuchungen durchzuführen. Allerdings bewegen sich alle durchzuführenden Experimente im Rahmen der im Handy verbauten Sensoren. Um diese für ein konkretes Experiment zu nutzen, ist manchmal auch Kreativität gefragt.
Die Qualität der als sehr genau präsentierten Messergebnisse muss noch genauer untersucht werden, grobe Auswertungen liefern aber bereits die erwarteten Ergebnisse.

 


(1) Menü                          (2) Experimentiervorschläge


(3) Mikroschwankungen       (4) Mikroschwankungen in Relation

15. Februar 2018 | Veröffentlicht von Tobias Berchner | Kein Kommentar »
Veröffentlicht unter Smartphone & Tablet

App-Vergleich: phyphox vs. Physics Toolbox Suite

Innerhalb des App-Stores bzw. Playstores finden sich zahlreiche Apps, die Messmöglichkeiten physikalischer Größen über die Nutzung der Handysensoren anbieten. Im Nachfolgenden sollen die Apps „phyphox“ und „Physics Toolbox Suite“ in Aufbau, Funktionsweise und Erweiterungsmöglichkeit verglichen werden.

…weiterlesen »

13. Februar 2018 | Veröffentlicht von Laura-Jane Habermann | Kein Kommentar »
Veröffentlicht unter Smartphone & Tablet
Verschlagwortet mit , ,

Miracast vs Google Chromcast

Hier werden kurz die alternativen Beamer Adapter gegenübergestellt.

Miracast: https://de.wikipedia.org/wiki/Miracast abgerufen am 10.02.2018

Google Cromcast: https://www.mediamarkt.de/de/product/_google-chromecast-2015-2044619.html abgerufen am 10.02.2018

Gemeinsamkeiten: das Smartboad welches den Miracast unterstützt, unterstützt genauso den Cromcast. Beide Geräte arbeiten über WiFi.

Unterschiede: Die Kopplung erfolgt bei dem Miracast über Sreenmirroring und beim Cromcast über ein gesichertes privates WLAN.

Fazit: Positiv: Im Test konnten beide Gräte unproblematisch Bilder darstellen.

Negativ: Im Test wurde der Chromcast mit einen unbekannten Passwort geschützt, so dass ein neuer Zugriff auf dieses Netzwerk nicht möglich war. Auch ein Löschen der Konfiguration wie beim Miracast war nicht möglich. Die „höhere“ Sicherheit beim Chromcast findet ein jähes Ende in Multi User Umgebungen wie Schule oder Uni. (Passwortverwaltung)

10. Februar 2018 | Veröffentlicht von Stefan Vandrey | Kein Kommentar »
Veröffentlicht unter Allgemein, Smartphone & Tablet

Miracast-Funk-Adapter für Beamer, Smartphone- oder Laptopbildschirm einfach auf der Leinwand darzustellen

Der Miracast Funkadapter wird einfach in den HDMI Eingang des Beamers gesteckt und zusätzlich mittels USB eine Stromversorgung hergestellt. Die Verbindung zum Smartphone erfolgt über (WiFi-) Funk.

Die technischen Daten sind hier gut beschrieben: https://de.wikipedia.org/wiki/Miracast abgerufen am 10.02.2018

Hier nur die Beschreibung einen Versuchs zur Anwendung.

Vorbetrachtung: Der Adapter ist schon ein paar Jahre auf dem Markt und sämtlich genutzten Standards sollten nun in den meisten Geräten verfügbar sein.

Hardware Ausgabe des Bildes: TV Geräte mit HDMI(Samsung, Philips), Beamer mit HDMI-Eingang, Beamer mit Adapter und DVI Eingang, Smartboard.

Hardware Eingabe des Bildes: diverse Smartphone der Teilnehmer/Tester.

Ergebnisse: Es konnte nur das Smartboard mit dem Miracast zusammenarbeiten. Bei allen anderen gab es keine Anzeige auf dem Ausgabegerät. Ursachen müssen weiteren, später folgenden Versuchen auf den Grund gegangen werden.

Anwendung: Wenn der Miracast sich auf dem Bildschirm meldet, kann am Handy über „Screen Mirroring“ eine Verbindung aufgebaut werden. (alle getesteten Handys konnten das) Die Verbindung wird bestätigt und beide Geräte sind gekoppelt. Weitere Kopplungen werden abgelehnt.

Alternativ: Wurde die Verbindung mittels USB zu HDMI (oder VGA) Adapter vom Smartphone über Kabel zum Beamer getestet.

Fazit: Die Funkverbindung ist wesentlich komfortabler als die Kabelverbindung und damit immer vorzuziehen. Die Reichweite ist ausreichend für den Klassenraum. Negativ bleibt zu nennen, dass die angeblich flächendeckende Komptabilität in der kleinen Auswahl der Geräte nicht bestätigt werden konnte. Durch die Kopplung der Geräte können fremde Geräte nicht die Übertragung stören. Das erste Gerät erhält die Erlaubnis des Koppelns und das muss die Lehrkraft mit dem eigenen Gerät vorbereiten um so SuS oder anderen möglichen Störern zuvorzukommen.

10. Februar 2018 | Veröffentlicht von Stefan Vandrey | Kein Kommentar »
Veröffentlicht unter Allgemein, Smartphone & Tablet, Whiteboard