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Sensor „Smartphone“: Bestimmen der Länge eines Fadenpendels und der Erdbeschleunigung „g“ mit Hilfe von „phyphox“

Wie schon in meinem Artikel

„Sensor „Smartphone“ – Experimentieren und Bestimmen physikalischer Größen mit dem Smartphone und der App „phyphox““

möchte ich erneut über die Nutzung der smartphoneinternen Sensoren zur Bestimmung/Messung physikalischer Größen schreiben.

Habe ich mich beim letzten Artikel mit dem Smartphone-Barometer beschäftigt und bin auf die Steuerung der von Sebastian Staaks entwickelten iOS und Android App „phyphox“ (physical phone experiments) eingegangen, so möchte ich mich heute auf das interne Gyroskop (erfasst die Winkelgeschwindigkeit der drei Achsen, mit der das Smartphone um diese Achsen rotiert) des Smartphones konzentrieren. Außerdem werde ich in diesem Versuch detaillierter auf die Anwendung im Unterricht zu sprechen kommen, denn neben der kostenlosen Bereitstellung der App „phyphox“ bietet der Entwickler auf der Internetseite phyphox.org ebenfalls Videoanleitung, sowie für einige ausgewählte Experimente vorgefertigte Schülerarbeitsblätter für Lehrerinnen und Lehrer und zusätzliche Handreichungen für die Lehrkräfte, in der die Versuchsdurchführung, Ziele des Unterrichts, geplante Unterrichtsdauer, sowie Didaktische und Methodische Überlegungen aufgeführt werden.

Ein fertiger „Versuch to Go“ sozusagen.

 

Versuchsbeschreibung

 

Mit Hilfe des Gyroskops eines Smartphones und der App „phyphox“ wird, montiert an einem selbstgebauten Fadenpendel, die Periodendauer T der harmonischen Schwingung anhand der Pendelbewegung ermittelt.

 mit t = Schwingungsperiode, g = Erdbeschleunigung , l = Länge des Pendels, π = Kreiszahl (Pi)

 

Auf diesem Wege, kann durch Angabe der Pendellänge l (vom Drehpunkt bis zum Schwerpunkt des Pendels) die Erdbeschleunigung

 

bestimmt werden, oder alternativ kann man, unter der Annahme, dass g = 9,81 m/s² ist, im Umkehrschluss die Pendellänge selbst bestimmen.

 

Auf der Internetseite phyphox.org gibt es hierzu, wie bereits erwähnt, die vollständig ausgearbeiteten Arbeitsblattvorlagen. Auf diesen werden den Schülern die benötigten Materialien genannt, die Versuchsdurchführung genau erläutert und diverse Aufgabenstellungen für die Unterrichtsstunde präsentiert.

 

Das Fadenpendel mit Smartphonehalterung hat die Lehrkraft vor der Unterrichtsstunde bereits vorbereitet. Auch hierzu gibt es auf phyphox.org die passenden Anleitungen. Natürlich kann auch der selbstständige Aufbau durch die Schülerinnen und Schüler in die Unterrichtseinheit integriert werden, erfordert aber mehr Zeit.

 

Versuchsaufbau

 

Um eine möglichst „taumelfreie“ Pendelbewegung zu gewährleisten, ist in den Arbeitsmaterialien von phyphox.org die Konstruktion einer Schaukel beschrieben und empfohlen (sie Abb. 1, links).

 

Abb.1: links, Versuchsaufbau laut phyphox.org; rechts, eigener Versuchsaufbau mit Alltagsgegenständen

Soll der Versuch als Schülerversuch mit eigener Konstruktion durchgeführt werden, so bietet sich auch ein einfacher und schneller Selbstbau (Abb.1, rechts) an. Geschenkband (oder z.B. reißfeste Schnur) und z.B. die Verpackung von Kaffeefiltern lassen sich günstig beschaffen und bieten sicheren Halt für das verwendete Smartphone.

 

Versuchsdurchführung

Auf dem Versuchs-Smartphone wird die App „phyphox“ gestartet und unter dem Thema Mechanik der Versuch „Fadenpendel“ ausgewählt.

Mit Druck auf das 3-Punkt-Symbol werden erwieterte Einstellungen aufgerufen und entweder der Fernzugriff per Computer (empfehlenswert) aktiviert, oder eine Zeitautomatik zum Starten und Stoppen des Versuchs eingestellt, da das Smartphone in der Pendelhalterung nicht bedienbar ist.

Wie bei allen Experimenten von phyphox, kann in diesen Einstellungen auch noch einmal eine Beschreibung des Experiments gelesen werden (Experiment Info).

Die Versuchsdurchführung erfolgt dann gemäß den Anweisungen der Arbeitsblätter, in denen mindestens 20 Schwingungsdurchläufe empfohlen werden, damit die App genug Daten zur Berechnung erhalten kann.

 

Ergebnisse

Wie immer zeigt „phyphox“ alle Daten und Berechnungen in Echt-Zeit an und erlaubt damit auch die erste Prüfung der korrekten Ausführung. Alle Rohdaten können im Excelformat direkt am Computer gespeichert werden und damit auch eigene Grafiken und Formeln genutzt werden.

Gleichzeitig gibt „phyphox“ die berechnete Erdbeschleunigung g an und auch die errechnete Pendellänge (bei Literaturwert g) kann sofort abgelesen und verglichen werden. Daneben gibt „phyphox“ die Schwingungsperiode und die Pendelfrequenz an (Abb. 2).

 

  

Abb. 2: Ergebnisse der Pendelbewegung. links, anhand der bekannten Pendellänge berechnetes g; rechts, unter Annahme, dass g= 9,81 m/s² ist, berechnete Pendellänge.

 

Die Schwingungsperiode wird durch die Autokorrelation der Schwingung der drei Komponenten (Achsen) des Gyroskops ermittelt und ebenfalls grafisch dargestellt (Abb. 3)

 

Abb. 3: links, grafische Darstellung der Autokorrelation der Daten der drei Achsen des Smartphones (rechts)

 

Anwendung im Unterricht

Vermutlich jeder Schüler der Sekundarstufe I wird heutzutage ein Smartphone bei sich führen, in jedem Falle aber kann dieser Versuch in Gruppen- oder Partnerarbeit durchgeführt werden, oder auch als Demonstrationsversuch.

Mit der kostenlosen App „phyphox“ und den bereits fertigen Unterrichtsmaterialien für Lehrkräfte stellt phyphox.org alles bereit, was man für den Unterricht braucht. Der Aufbau ist gut beschrieben und lässt sich sowohl mit den Materialien der Schule, als auch mit einfachen Alltagsgegenständen aufbauen.

Der Versuch erlaubt eine Intensive Auseinandersetzung mit dem Thema „harmonische Schwingungen“, da ich aber nicht Physik studiere, sondern Biologie und Chemielehrer werde, fehlt es mir jedoch an dem nötigen Wissen, wie man das Thema weiter vertiefen könnte.

 

Didaktisches Fazit

Der hier vorgestellte Versuch deckt eine Vielzahl von Kompetenzbereichen ab. Er erfordert physikalisches Fachwissen und eines der Lernziele ist das Verständnis der Zusammenhänge der Größen der Formel für die
Schwingungsdauer eines Fadenpendels. Außerdem fördert der Versuch im Kompetenzbereich Erkenntnisgewinnung die Kompetenzen des naturwissenschaftlichen Arbeitens, gerade wenn man von einem Demonstrationsversuch zu einem selbst geplanten Schülerversuch wechselt.

Zwar berechnet „phyphox“ selbstständig die Erdbeschleunigung und die Pendellänge, doch lässt sich dieser Schritt durchaus auch als Rechenaufgabe für die SuS umwandeln. Die Rohdaten können exportiert werden und die Schüler mit den Ihnen bekannten Formeln alle Größen selbst errechnen. Dies kann gleichzeitig den Umgang mit den Office Programmen, in diesem Falle Excel, schulen.

Die Präsentation dieser Ergebnisse fördert dann wiederum den Kompetenzbereich Kommunikation und Bewerten.

Überhaupt bietet die Erhebung von Rohdaten durch „phyphox“ die Möglichkeit, den gesamten Versuch selbstständig von den SuS planen zu lassen und damit den gesamten Verlauf des Experimentierens, inklusive Fragestellung entwickeln, Hypothese formulieren, Experiment planen etc. abzubilden  und Schwerpunkte zu setzen(Abb. 4).

 

Abb. 4: Fähigkeitsraster zur Orientierung und Zielabfrage bei der Unterrichtsplanung. Welche Kompetenzen sollen abgefragt werden, welche Lernziele in welchem Umfang erreicht werden. links, leeres Modell; rechts, beispielhaft ausgefülltes Raster

 

Persönliches Fazit

Wie auch in meinem letzten Artikel zur Anwendung von Smartphones als Sensoren im Unterricht mit der App „phyphox“, so bin ich auch hier von der Nützlichkeit überzeugt. Ich empfinde das Smartphone als überaus angenehmes Werkzeug, da es ohne Zeitaufwand und Einarbeitungszeit quasi jedem Schüler, Lehrer und jeder Schule zur Verfügung steht und dabei überaus genaue Daten produziert.

Die Integration in den täglichen Unterricht ist mühelos. Dank der vorgefertigten Unterrichtsmaterialien von phyphox.org ist eine schnelle und dennoch fundierte Durchführung möglich. Sie eröffnet auch fachfremden Lehrern die Möglichkeit Vertretungsstunden durchzuführen, ohne dabei auf Fachwissen und didaktischen Tiefgang verzichten zu müssen.

 

30. Januar 2018 | Veröffentlicht von Nikolas Denk | Kein Kommentar »
Veröffentlicht unter Smartphone & Tablet
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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.

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