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Fachbereich Physik
Experimente mit Smartphone & Tablet PC, 19.09.2016
Fachbereich Physik
iMobile Physics: Experimente mit Smartphone, Tablet-PC & Co. im
Physikunterricht
J. Kuhn TU Kaiserslautern, Fachbereich Physik/Didaktik der Physik
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Fachbereich Physik
Experimente mit Smartphone & Tablet PC, 19.09.2016
• Ausgangspunkte und Grundgedanken
• Überblick zu Experimenten mit internen Sensoren in ausgewählten Themenbereichen der Physik
• Zusammenfassung (und Ausblick)
Inhaltsübersicht
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Ausgangspunkte und Grundgedanken
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Fachbereich Physik
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten – Dokumentation – Informationsrecherche – Kommunikation – Cognitive Tools – Experimentiermittel
Experimentiermöglichkeiten durch zahlreiche interne Sensoren – Mikrofon – Beschleunigungssensoren – Feldstärkesensoren – CCD-Chip (Kamera) – GPS-Empfänger – Gyroskop – ……
Ausgangspunkte und Grundgedanken
Fachdidaktischer Aspekt: Mehrwert
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• Entwicklung curricular valider Experimente mit neuen (Alltags-)Medien
• Integration der Experimente in ein Unterrichtskonzept
Untersuchung des Lern-prozesses beim Experi-mentieren mit „neuen (Alltags-)Medien“
Konzeptionelle Entwicklung
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Empirische Prüfung
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iMobile Physics
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Überblick zu Experimenten mit internen Sensoren in ausgewählten
Themenbereichen der Physik
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Experimente mit internen Sensoren
Themenbereich AKUSTIK (PhD: M. Hirth)
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Schallgeschwindigkeit
Experimente mit dem Mikrofon
Lit.-Wert (bei 20 °C): c ≈ 343 m/s Hirth et al. (2015). Phys. Teach. 53, 120-1
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Fachbereich Physik
Akustische Schwebung
1 2W 2
f ff += S 1 2f f f= −
Experimente mit dem Mikrofon
Kuhn et al. (2014). Phys. Teach. 52, 248-9
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Experimente mit dem Mikrofon
… zahlreiche Einsatzmöglichkeiten im Themenbereich „Akustik“
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Untersuchung der Schallarten
Geräusch Knall Klang Ton
Experimente mit dem Mikrofon
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Untersuchung der Schallarten
Experimente mit dem Mikrofon
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Phänomen der Klangfarbe
Experimente mit dem Mikrofon
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Lärmschutz
Experimente mit dem Mikrofon
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Lärmschutz
Experimente mit dem Mikrofon
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Weitere Experimenten zu folgenden Themen: • Dopplereffekt • Verschiedene Methoden zur c-Bestimmung • g-Bestimmung • …
Experimente mit Smartphone & Tablet-PC unter Verwendung des Mikrofons
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Experimente mit internen Sensoren
Themenbereich MECHANIK (PhD: K. Hochberg, P. Klein)
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y
z
x
Wie funktionieren solche Apps?
Empfindliche Sensoren messen die Beschleuni-gungen in Richtung der eingezeichneten Achsen
g ax = 0 m/s2
ay = -9,81 m/s2
az = 0 m/s2
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
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Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Welcher Bewegungsvorgang ist hier dargestellt?
1. Gang
2. Gang
3. Gang 4. Gang
5. Gang
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Untersuchung von Pendelbewegungen – Das Fadenpendel…
∆t = t2 – t1
( )
2
22 1
42
m10,25 0,52s²
l lT gg t t
n
g
ππ= ⇒ =−
= ±
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Vogt & Kuhn (2012). Phys. Teach. 50, 439-0
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Experimente mit den Beschleunigungssensoren
… oder auf der Kinderschaukel
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Untersuchung von Pendelbewegungen – Das Federpendel
Dynamische Messung
∆t = t2 – t1 = 18,59 s – 0,37 s = 18,22 s
( )mN003,0055,3
42 212
2
±=
−
=⇒=
D
nttmD
DmT ππ
miPhone = 0,152 kg
n = 13
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Kuhn & Vogt (2012). Phys. Teach. 50, 504-5
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… oder im Aufzug
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
Kuhn et al. (2014). Phys. Teach. 52, 55-6
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Untersuchung des freien Falls – zu Hause…
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
s
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Untersuchung des freien Falls – zu Hause…
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
∆t
s = 0,5⋅g⋅ ∆t²
𝑔 =2 ∙ 𝑠∆𝑡𝑡
= (10,0 ± 0,2)ms𝑡
Vogt & Kuhn (2012). Phys. Teach. 50, 144-5
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…oder: Im Freizeitpark
Experimente mit den Beschleunigungssensoren
s = 0,5⋅g⋅ ∆t² = 34,2 m
Angabe des Betreibers: s = 36 m
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Warum hat ein Auto nicht die Form eines Muffinförmchens: cw-Wert mittels freier Fall mit Luftreibung
Experimente mit der Kamera: Videoanalyse von Bewegungsvorgängen
Weiterbildung zusammen mit der ETH & DPK zu diesem Thema
am 18.11.20156 Becker, Klein & Kuhn (2016). Phys. Teach. 54, 440-1
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Experimente mit internen Sensoren
Themenbereich ionisierende Strahlung
(PhD: A. Molz) • Kuhn, J., Frübis, J., Wilhelm, T. & Lück, S. (2013). Smarte Physik: iRadioactivity – Das Smartphone als Geigerzähler. Physik in unserer Zeit (PhiuZ) 44 (5),
253-255. • Molz, A., Kuhn, J., Gröber, S., Frübis, J. & Müller, A. (2014). iRadioactivity – Untersuchung radioaktiver Strahlung mit Smartphones & Tablet-PC.
Naturwissenschaften im Unterricht (NiU) – Physik 141/142 (2014), 44-51. • Molz, A., Klein, P., Gröber, S., Kuhn, J., Müller, A., & Frübis, J. (2014). Tablet-PCs als Experimentiermittel im Oberstufenunterricht – Experimente aus Optik
und Kernphysik. Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule (PdN-PhiS) 63 (2014), Heft Nr. 6, 27-32.. • Kuhn, J., Molz, A., Gröber, S. & Frübis, J. (2014). iRadioactivity - Possibilities and Limitations for Using Smartphones and Tablet PCs as Radioactive Counters.
Phys.. Teach. 52 (2014), 351-356. • Gröber, S., Molz, A. & Kuhn, J. (2014). Using smartphones and tablet PCs for β--spectroscopy in an educational experimental setup. Eur. J Phys. 35 (6),
065001..
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Funktionsweise
I = 0,15 A
Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera)
• Aufgebaut aus Sensorzellen, die jeweils die einzelnen Bildpunkte (Pixel) des Fotos/Videos erzeugen.
• Sensorzelle: μm-große pn-Diode • Kamerasensor vergleichbar mit Halbleiterdetektor • Halbleiterübergang ist strahlungsempfindlich • beim Eintreffen der radioaktiven Strahlung wird
weißes Pixel erzeugt. • Vorbereitung: Kameralinse lichtdicht abdecken (z. B.
mithilfe von Gewebeklebeband, auf der Linse fixierten schwarzem Kartonstreifen oder Alufolie)
• Erfassen von Strahlungspartikeln wird nicht durch einfallendes Licht verfälscht.
• Auslesen der Messdaten durch geeignete App (hier: RadioactivityCounter)
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Abstandsgesetz: Theorie
I = 0,15 A
Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera)
• Zählrate n sinkt mit dem Quadrat des Abstandes (divergentes Strahlenbündel)
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Abstandsgesetz (β-Strahlung): Experimentaufbau
I = 0,15 A
Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera)
Sr-90 Quelle Eisenfuß
Halterung Al-Platte
SGT 2 Spiegel
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Abstandsgesetz (β-Strahler): Experimentauswertung
I = 0,15 A
Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera)
SGT 2 R² = 0,9979
iPod R² = 0,9519
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
700,00
800,00
900,00
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Zähl
rate
n in
min
-1
r-2 in cm-2
S3 R² = 0,9287
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
0,0000 0,0500 0,1000 0,1500 0,2000
Zähl
rate
n in
min
-1
r-2 in cm-2
LB 123 R² = 0,9855
CASSY R² = 0,9995
Gamma-Scout R² = 0,9895
0,00
2000,00
4000,00
6000,00
8000,00
10000,00
12000,00
14000,00
16000,00
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Zähl
rate
n in
min
-1
r-2 in cm-2
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Fachbereich Physik
Stiftstrahler (Strontium-90)
Schutzkappe Stiftstrahler
(abnehmbar)
Tablet-Halterung (verschiebbar)
Detektor (Kamera des Tablet-PCs)
Halterung Absorber (abnehmbar)
Messskala (Abstand Detektor-Strahler)
Spiegel (Ablesen von Messwerten auf
dem Tablet-PC)
Experimente mit dem CCD-/CMOS-Sensor (Kamera)
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Experimente mit der Smartphone-Kamera (CCD-/CMOS-Sensor)
Weitere Experimenten zu folgenden Gesetzmäßigkeiten möglich: • Ablenkung im Magnetfeld • Halbwertszeit (Zerfallsgesetz) • Absorptionsgesetz
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Mechaniks
Akustik
12Neue Experimente mit dem SmartphoneGenf Siegen
Untersuchung der Zentripetalbeschleunigung mit einem Elektromotor
Experimente mit Smartphones
Optik Ionisierende Strahlung
Smartphone- Experimente: Themenübersicht
Kuhn et al. (2014) Phys. Teach. 52 (2014), 351-6
Kuhn (2014) Am. J Phys. 82 (2014), 94. Kuhn & Vogt (2013) Phys. Teach. 51 (2013), 118-9.
Gröber et al. (2014) Eur.J Phys. 35 (6), 065001 Klein et al. (2014) Phys. Educ. 49 (4), 412-8
Magnetismus
Kuhn & Vogt (2015) NiU-Physik 26 (2015), 41-3.
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Fachbereich Physik
• Smartphones können auf vielfältige Weise im Physikunterricht zielführend eingesetzt werden
• Insbesondere: „Kostenfreies“ und einfach zu bedienendes Messwerterfassungssystem mit unterschiedlichen internen Sensoren.
• Schülerinnen und Schüler sind mit den Geräten vertraut • Erste Ergebnisse zur Lernwirkung von Smartphone-Experimenten
positiv. • Sensibilisierung der Lernenden für „neue Perspektiven“ nur durch
formelle Einbindung schwierig. • Realitäts-/Alltagsbezug nur durch Einbringen des Mediums
„Smartphones/Tablet PC“ (im Mechanikunterricht) nicht erreichbar. • Einbindung in das Physikstudium und in die Lehrerbildung.
Zusammenfassung
Unified Education: Medienbildung entlang der Lehrerbildungskette
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Literaturhinweise
Experimente mit Smartphones
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Experimente mit Smartphones
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Experimente mit Smartphones
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Kontakt: Email: [email protected] Web: http://www.physik.uni-kl.de/kuhn