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Artikel-Schlagworte: „Tools“

Lernen mit Smartphone und Tablet:
Akustische Schwebung

Samstag, 16. Februar 2013

Ein drittes Szenario, welches Lehrerinnen und Lehrer der Eckener Schule am Schulentwicklungstag erprobten, betrifft das Phänomen der akustischen Schwebung. Durch das geringfügige Verstimmen eines Tones gegenüber eines Tons mit fast identischer Frequenz entsteht eine Schwebungsfrequenz, wie man sie z.B. vom Stimmen einer Gitarre her kennt. In diesem Szenario wird die Schwebungsfrequenz durch zwei Signalgeneratoren am iPad hörbar gemacht und quantitativ ausgewertet.

    

Signalgenerator
Zunächst wird auf dem Tablet oder Smartphone mit Hilfe eines Signalgenerators ein Sinuston erzeugt. Hier wurde auf einem iPad die die iPhone-App „Audio Kit“ verwendet. Für Android-Geräte bietet sich die App „Signal Generator“ an.

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Zweites Signal leicht versetzt
Ein zweites Mobilgerät erzeugt nun mit dem Signalgenerator einen identischen Sinuston allerdings in der Tonhöhe um einige wenige Hertz versetzt. Die Schwebungsfrequenz wird durch ein Pulsieren des Tons hörbar.
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Tablet als Oszilloskop
Mit oScope Lite wird die resultierende Schwebungsfrequenz live in einem Verlaufsgraphen dargestellt. Auf der horizontalen Achse wird die Zeit dargestellt, auf der vertikalen Achse die durch das Mikrofon erzeugte Spannung.
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Die Schwebungsfrequenz
Um die Schwebungsfrequenz quantitativ auszuwerten, ist es hilfreich das resultierende Signal aufzuzeichnen. Dazu ist die App Pocket WavePad HD gut geeignet. Durch hineinzoomen in die Zeitachse des Samples können Daten millisekundengenau abgelesen werden.
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Lehrszenario mit mobilen Apps: Federkonstante mittels akustischer Signale ermitteln

Sonntag, 3. Februar 2013

Ein drittes, sehr kreatives, Lehrszenario zur Nutzung von Smartphones und Tablets im Unterricht, haben sich weitere Studierende der Lehrveranstaltung »Multimediale Lernumgebungen« ausgedacht. Den klassischen Versuch, die Federkonstante zu bestimmen haben sie so abgewandelt, dass ein an der Feder auf und ab schwingendes Mikrofon die Signale eines darunter liegenden Sinuston-Generators aufnimmt. Zur Analyse der Periodendauer einer Schwingung wird die durch die Schwingung verursachte Veränderung der Lautstärke des Signals nutzbar gemacht. Zum Einsatz kommen hier die Apps Signalscope als Tongenerator und die App iAnalyzer zur Auswertung der akustischen Daten. Alle verwendeten Apps wurden auf der Learners´ Garden Plattform beschrieben und verlinkt. Dieses Szenario ist Teil einer Reihe von Lehrszenarien zu denen auch die Szenarien zur Fallbeschleunigung gehören: „Atwood´sche Fallmaschine“ , „Der schiefe Wurf“.

    

Schwingende Feder
Die Untersuchung der Eigenschaften einer schwingenden Feder hat viele Aspekte. Hier geht es darum festzustellen, welcher Zusammenhang besteht, zwischen der Periodendauer, mit der die Feder schwingt und der Masse, die an ihr hängt. Zur Messung der Periodendauer soll ein mitschwingendes Mikrofon einen konstanten Sinuston aufzeichnen.

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Sinuston generieren
Dazu wird an der Feder, neben der Masse, das Mikrofon befestigt. Hier: das im Kabel des Kopfhörers integrierte Mikrofon eines iPhones. Unter der schwingenden Masse wird ein Aktivlautsprecher positioniert, der einen Sinuston ausstrahlt. Der Sinuston wird durch die App Signalscope an einem iPad erzeugt, das mit dem Aktivlautsprecher verbunden ist.

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Signal aufzeichnen
Das Mikrofon ist an ein weiteres iPad angeschlossen, auf dem die App iAnalyzer aktiv ist. Die Feder wird in Schwingung versetzt, das Mikrofon eingeschaltet und das Signal wird einige Sekunden lang aufgezeichnet. Durch scrollen durch den aufgezeichneten Sample per touch, lassen sich millisekundengenau die Peaks des Samples ermitteln und damit die Periodendauer der Schwingung.

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Verschiedene Massen
Die Ermittlung der Periodendauer auf diese Art wird für unterschiedliche Massen durchgeführt. Nach auswechseln der anhängenden Masse und Protokollierung der gemessenen Daten wird die nächste Messung mit der jeweils nächsten Masse durchgeführt.
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Mögliche Zusammenhänge
Bei Vorliegen aller Daten werden verschiedene mögliche Zusammenhänge zwischen Periodendauer und Masse aus den gemessenen Daten errechnet, z.B:
          formeln

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Proportionaler Zusammenhang
Beim Durchrechnen wird irgendwann auffallen, dass der Wert

            tvm
unabhängig vom Gewicht der Masse, konstant bleibt. Dadurch wird ersichtlich, dass bei der Federschwingung das Quadrat der Periodendauer proportional ist zur Masse.

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Graph
Diesen Zusammenhang stellen die Schüler anschließend graphisch dar, indem sie das Quadrat der Periodendauer über der Masse in einem Koordinatensystem abtragen und dort die abgeleiteten Werte eintragen. Es ergibt sich eine Gerade, die den proportionalen Zusammenhang auch graphisch anschaulich macht.

 

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Lehrszenario: Videoanalyse Fallbeschleunigung an der Atwood´schen Fallmaschine

Samstag, 2. Februar 2013

Das zweite Lehrszenario, das Lehramtsstudierende im Rahmen unserer Lehrveranstaltung „Multimediale Lernumgebungen“ entwickelt haben, zeigt einen weiteren Weg, die Fallbeschleunigung zu bestimmen. Auch hier kommt die Videoanalyse-App “Vernier Video Physics” zum Einsatz. Der freie Fall wird an der Atwood´schen Fallmaschine abgebremst und dadurch für die Videoanalyse leichter analysierbar. Das Szenario, in dem die Fallbeschleunigung beim schiefen Wurf ermittelt wurde, wird im ersten Blogbeitrag dieser Serie beschrieben. Alle untersuchten Apps finden sich auf der Learners´Garden Plattform .

    

Bestimmung der Fallbeschleunigung
Mit der Atwood´schen Fallmaschine lassen sich die Gesetze der gleich – mäßig beschleunigten Bewegung nachweisen. In diesem Experiment geht es um die Bestimmung der Fallbeschleunigung g. Die schwere Masse m sorgt für die Beschleunigung während die Gesamtmasse 2 x M + m beschleunigt wird.

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Kalibrieren und filmen
Um möglichst genaue Messdaten zu erhalten, wird parallel zur Kameraebene des iPads ein Meterstab ins Bild gesetzt, der Koordinatenursprung in der App festgelegt und die App bezogen auf den abgebildeten Meterstab kalibriert.

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Schrittweise markieren
Nach der Aufnahme kann der Fall der Masse am iPad Bild für Bild zeitsynchron dargestellt werden. Mit dem Finger markieren die Schüler in jedem Einzelbild der Sequenz die genaue Position der fallenden Masse. Die App generiert aus diesen Informationen einen Graphen, der die Grundlage bildet für die weiteren Berechnungen.

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Ableiten und berechnen
Aus dem Weg-Zeit-Diagramm wird mit der App das Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm abgeleitet. Aus der Steigung der darin sichtbaren Geraden und der folgenden Formel lässt sich schließlich die Fallbeschleunigung g berechnen.
Newtonsches Gesetz: F = m x a

(2 x M + m) x a = m x g

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Diskutieren und auswerten
Die Graphen der Messungen der Schülerinnen und Schüler werden an das Smartboard übertragen und dort gemeinsam ausgewertet.

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Lehrszenario: Videoanalyse mit dem iPad
Der schiefe Wurf

Samstag, 2. Februar 2013

In unserer aktuellen Lehrveranstaltung „Multimediale Lernumgebungen“ für Lehramtsstudierende mit dem Wahlfach Physik haben wir – wie schon in den vorangehenden Semestern – Lernumgebungen gestaltet und untersucht bei denen Smartphones oder Tablets zum Einsatz kommen. Insbesondere wurden Apps untersucht und bewertet, die in diesem Kontext nützlich sein könnten.
Die Liste der bisher untersuchten Apps findet sich auf der Learners´ Garden-Plattform. Zum Abschluss des Semesters präsentierten die Studierenden wirklich spannende Unterrichtsszenarien, die ich hier in Kurzform dokumentieren will. Zunächst werden zwei Szenarien vorgestellt, in denen das Verfahren der Videoanalyse genutzt wird, um physikalische Zusammenhänge zu erkennen. Bei der physikalischen Videoanalyse geht es um die Bewegung von Objekten und die physikalische Beschreibung und Auswertung dieser Bewegung. Hier untersuchten die Studierenden die Fallbeschleunigung beim schiefen Wurf und nutzten für die Videoanalyse die iPad-App „Vernier Video Physics“ .

    

Der schiefe Wurf
Es geht darum, einen Ball zu werfen, dabei seine Bewegungskoordinaten zeitbezogen aufzuzeichnen und dann aus der Auswertung der Daten die Fallbeschleunigung des Balls zu ermitteln.

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Die App „Vernier Video Physics“ nutzt die interne Kamera des iPads. Dadurch sind die Schüler örtlich unabhängig und können entsprechende Messungen auch außerhalb des Klassenraums durchführen. Hier z.B. im Flur unserer Universität.

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Kalibrieren und filmen
Um möglichst genaue Messdaten zu erhalten, wird parallel zur Kameraebene des iPads ein Meterstab ins Bild gesetzt, der Koordinatenursprung in der App festgelegt und die App bezogen auf den abgebildeten Meterstab kalibriert.

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Schrittweise markieren
Nach der Aufnahme kann der Wurf am iPad Bild für Bild schrittweise dargestellt werden. Mit dem Finger markieren die Schüler in jedem Einzelbild der Sequenz die genaue Position des Balls. Die App generiert aus diesen Informationen einen Graphen, der die Grundlage bildet für die weiteren Berechnungen.

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Auswerten
Aus dem Weg-Zeit-Diagramm wird mit der App das Geschwindigkeit-Zeit-Diagramm abgeleitet. Aus der Steigung der darin sichtbaren Geraden und der folgenden Formel lässt sich schließlich die Fallbeschleunigung a berechnen.
formel

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Demonstrator: Werkzeugset für ein Schulbuch der Zukunft

Samstag, 10. März 2012

Interaktives Werkzeugset für die Schule from Tobias Precht on Vimeo.

Eine Bachelor-Arbeit von Tobias Precht und Jonas Kimmelmann an der Hochschule für Gestaltung Schwäbisch Gmünd.

  • Homepage Tobias Precht
  • Homepage Jonas Kimmelmann

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