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Lehrszenario mit mobilen Apps: Federkonstante mittels akustischer Signale ermitteln

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

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

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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Jetzt als Open Access Artikel: Didaktische Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft

19. Januar 2013

Der Artikel zum bereits im März 2012 gehaltenen Vortrag: „Didaktische Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft“ ist jetzt online und über das Open Access Journal Phydid B verfügbar. Hintergrundinformationen zum Kontext und den Foliensatz habe ich im Blog Artikel zu diesem Thema bereits publiziert.

Der Artikel auf Crocodoc:

Zitationsweise:
Neuhaus, W., Kirstein, J., & Nordmeier, V. (2012). Didaktische Funktionen des Lehrbuchs der Zukunft. In Phydid B – Didaktik der Physik – Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, 2012. Berlin: Freie Universität Berlin – AG Nordmeier.

  • Download des Artikels über das Open Access Journal Phydid B
  • Spendet jetzt für Schulbesuche und Pullover unserer Freundinnen in Afrika: Tareto Maa!

    7. Dezember 2012

    Über unseren Freund Armin Erkens, der das Projekt Tareto Maa schon lange unterstüzt, haben wir direkten Kontakt zu Gladys Naingolai K. in Kenia, die dort vor Ort das Projekt Tareto Maa koordiniert. Tareto Maa arbeitet dort mit Mädchen, die auf der Flucht sind vor Zwangsheirat und Genitalverstümmelung.

    Im Falle einer Spende können wir durch unsere persönlichen Kontakte garantieren, dass jeder Cent Eurer Spende auch direkt vor Ort ankommt und zweckgebunden genutzt wird. Die Plattform betterplace.org sorgt organisatorisch für eine solide Online-Abwicklung der Spenden. Die Finanzierung der betterplace-Plattform und deren Mitarbeiter erfolgt vollständig getrennt von den Direktspenden über die betterplace Solutions GmbH. Nähere Informationen zu diesem Unternehmen findet ihr auf der Homepage des Unternehmens. Um Eure Spendierfreude noch etwas anzustacheln, versprechen wir mit unserem Trash-Projekt »Tempelhof Starship Ensemble« (TSE) allen Spendern, dass wir – im Falle dass mehr als 15 Spender zusammenkommen – für Euch online ein Ständchen bringen. Meine Kumpels vom TSE nennen das „Weihnachtsrock“. Ich hab keine Ahnung was sie damit meinen aber ich werde im Falle der Umsetzung dafür sorgen, dass unser Ständchen auch genügend Ambient und Punk-Elemente enthält ;-) Zum Spenden nutzt bitte den Link zu unserer Tempelhof Starship Aktion . Jede Summe ist willkommen aber so richtig lohnen tut sichs eigentlich erst ab 20 EUR aufwärts …

  • Homepage: Tareto Maa-Projekt
  • betterplace Solutions GmbH
  • Tempelhof Starship Aktion

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