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Archiv für die Kategorie „Schule“

Messen mit Smartphone und Tablet: Zentripetalkraft

Donnerstag, 14. Februar 2013

Das zweite Unterrichtsszenario, das Lehrerinnen und Lehrer der Eckener Schule am Schulentwicklungstag erprobt haben, beschäftigt sich mit der Zentripetalkraft. Der Beschleunigungssensor, der in heute gängigen Smartphones und Tablets verbaut ist, wird hier nutzbar gemacht, um die Beschleunigungskräfte bei einer gleichförmigen Kreisbewegung zu untersuchen. Die Kolleginnen und Kollegen benutzen hier einen Drehteller, den Beschleunigungssensor gängiger Smartphones, und ein Haftpad zur Befestigung des Mobilgeräts auf der zu beschleunigenden Oberfläche, um Messungen zur Zentripetalkraft durchzuführen.

    

Gleichförmige Kreisbewegung
Untersucht werden soll hier der Zusammenhang zwischen Bahnradius und Zentralbeschleunigung. Mobile-Apps wie Sensor Kinetics (Android) oder SensorLogger (iPhone/iPad) lesen die Sensordaten aus und bieten die Möglichkeit, sie zur Auswertung an andere Software weiterzugeben.

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Position des Sensors
Um eine genaue Messung des Abstands des Sensors vom Mittelpunkt des Drehtellers zu ermöglichen, ist es zunächst erforderlich die genaue Position des Sensors im Mobilgerät zu ermitteln und diesen Punkt auf dem Gerät zu markieren. Dafür ist im Falle von iPhone/iPad die App AccelVisu besonders gut geeignet. Diese App liest in Echtzeit die Beschleunigungswerte des Beschleunigungssensors aus und stellt diese graphisch als Beschleunigungspfeil dar.

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Radius und Beschleunigung
Sobald die Position des Sensors am Mobilgerät bekannt ist, kann die Entfernung vom Mittelpunkt des Drehtellers bis zum Sensor mit einem Metermaß gemessen werden (Radius). Nachdem die Platte in eine gleichförmige Kreisbewegung versetzt wird (deren Gleichförmigkeit mit einer Stopp-Uhr-App überprüft werden kann) wird die Beschleunigung mit der App SensorLogger gemessen.

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Proportionalität
Diese Messung wird mit 3 bis 4 unterschiedlichen Radien durchgeführt und die Messdaten in einer Werte-Tabelle an der Tafel gesammelt. Die graphische Darstellung der Werte in einem Achsenkreuz, in dem die Zentralbeschleunigung über dem Radius abgetragen wird, zeigt einen proportionalen Zusammenhang zwischen Zentralbeschleunigung und Bahnradius.

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Kraft und Beschleunigung: Messen mit dem TET-Internet-Messinterface „Tessy“

Mittwoch, 13. Februar 2013

Das erste Unterrichtsszenario, das Lehrerinnen und Lehrer der Eckener Schule am Schulentwicklungstag erprobt haben, dreht sich um ein Experiment zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Kraft (F) und Beschleunigung (a). Dabei kam zum ersten mal ein TET-Tool aus dem Pool der Demonstratoren des „Technology Enhanced Textbook“ zum Einsatz. Mit dem Internet-Mess-Interface „Tessy“ lassen sich Messdaten externer Sensoren über das TET an die Smartphones oder Tablets der Schülerinnen und Schüler übertragen, die dann an ihren jeweiligen Mobilgeräten die Daten graphisch analysieren und auswerten können.

    

Luftkissenbahn
Mit Hilfe einer Luftkissenbahn, die für eine weitgehend reibungsfreie Bewegung sorgt, soll die Beschleunigung von vier verschiedenen Massestücken (m1) ermittelt werden. Ein fallendes Massestück (m2), an einen Faden geknüpft, beschleunigt das mit dem Faden verbundene Massestück m1.

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Wiegen der Massen
Die Gesamtmasse wird für jede der vier Messungen konstant gehalten, die Beschleunigung durch Veränderung der fallenden Masse variiert. Dazu müssen vor jedem Durchlauf des Experiments alle Massestücke gewogen werden.

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Ermitteln der Beschleunigung
Die Messdaten werden vom Tessy-Interface ausgelesen und per WLAN an die Tablets der Schülerinnen und Schüler übertragen. Je eine Gruppe kümmert sich um eine Messreihe und bestimmt die Beschleunigung aus dem Steigungsdreieck der abgeleiteten Kennlinie am Tablet.
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Kraft durch Beschleunigung
Die Gewichtskraft der Masse m2 wird mit Hilfe eines Federkraftmessers ermittelt und dann durch die ermittelte Beschleunigung geteilt. Die Ergebnisse der einzelnen Gruppen werden an der Tafel gesammelt: Egal wie stark die Gewichtskraft ist: der Quotient aus Kraft und Beschleunigung bleibt immer konstant. F/a = m . Hier einige Resultate aus dem Workshop.
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Schulentwicklungstag Eckener Schule: Smartphones und Tablets im Unterricht

Dienstag, 12. Februar 2013

Anknüpfend an meinen Vortrag im letzten Jahr an der Rathenau-Schule in Berlin, hatte ich die Gelegenheit vor dem Kollegium des regionalen Berufsbildungszentrums Eckener Schule in Flensburg einen Impulsvortrag zum Thema Smartphones und Tablets im Unterricht zu halten.

Der Foliensatz zum Vortrag:

Smartphones und Tablets im Unterricht from Wolfgang Neuhaus

Flensburg, 11.2.2013, Impulsvortrag zum Schulentwicklungstag: Smartphones und Tablets im Unterricht, Eckener Schule Flensburg

Im Vergleich zu anderen Schulen steht die Eckener Schule dem Einsatz von Mobilgeräten im Unterricht recht offen gegenüber, in naher Zukunft ist auch die Ausstattung einer Klasse des integrierten beruflichen Gymnasiums mit Tablets geplant. Im Anschluss an den Vortrag nahmen die etwa 120 Lehrerinnen und Lehrer dieser Einrichtung an verschiedenen Workshops teil. Zusammen mit meinem Kollegen Sebastian Haase bot ich einen Workshop an, in dem 15 TeilnehmerInnen drei exemplarische Unterrichtsszenarien erarbeiteten und mit uns als Testschüler durchführten. Diese Szenarien werden in Kürze in weiteren Blogbeiträgen dokumentiert.

Ergänzende Links:

  • Eckener Schule, regionales Berufsbildungszentrum
  • Facebook-Account der Eckener Schule
  • Workshop-Wiki: Smartphones und Tablets im Unterricht
  • Weiterführende Materialien und Studien
  • 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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