Die Schüler Florian Bär und Jan Schoch haben untersucht, welche Experimente mit dem Beschleunigungssensor des Smartphones im Physik- und Mathematikunterricht möglich sind:
1. Wissenschaftliches Poster zur Präsentation der Ergebnisse bei der Ausstellung
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Download Poster: DINA3 PDF | Experimente am Ausstellungsstand zur Beschleunigung. |
2. Erklärung der Funktion des Sensors [11]
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Ein Beschleunigungssensor besteht aus zwei in Reihe angeordneten Kondensatoren mit drei Kondensatorplatten . Die beiden äußeren Platten sind fest mit dem Smartphone verbunden. Die mittlere Platte ist schwingungsfähig an den äußeren Platten mit Federn befestigt [11]. |
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Bei einer Beschleunigung des Smartphones möchte die mittlere Platte aufgrund Ihrer Massenträgheit an der ursprünglichen Position bleiben. Dadurch verändert sich der Abstand d der mittleren Platte zu den äußeren Platten. Die Formel zeigt, dass sich durch eine Abstandsänderung d die Kondensatorkapazität C ändert. Das Smartphone misst diese Kapazitätsänderung und ermittelt daraus die auf das Gerät wirkende Beschleunigung. Mit dem Holzmodell des Sensors (Bild links) kann die Funktion des Sensor einfach erklärt werden. Auch die Auslenkung in Ruhe durch die Erdbeschleunigung ist im Modell sofort sichtbar. |
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Ein einzelner Beschleunigungssensor kann Beschleunigungen nur eindimensional erfassen. Um Beschleunigungen jeder Richtung zu messen, besitzt jedes Smartphone drei dieser Sensoren, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind (x-, y- und z-Achse). Mit einer geeigneten App kann der dreidimensionale Vektor (Richtung und Länge) der Beschleunigung a an jedem Punkt des Raumes dargestellt werden. Der maximale Messwert von Beschleunigungssensoren ist amax = ±40m/s². Erreicht werden solche großen Beschleunigungen im Alltag z. B. innerhalb einer sich drehenden Salatschleuder (siehe Gruppe 7: Experiment 1). |
3. Experiment: Beschleunigungen beim Pendel
Forschungsfrage: Kann die Schwingungsgleichung von Pendeln aus den Beschleunigungsdaten bestimmt werden?
Zunächst wurden verschiedene Pendel aufgebaut: Fadenpendel, vertikales Federpendel und horizontales Federpendel. Mit dem Smartphone wurden bei allen Pendeln die Beschleunigung über die App "Pasco Sparkvue" mit einer Messrate von 100Hz aufgenommen. Innerhalb der App kann eine Sinus-Anpassung an die Beschleunigungsdaten durchgeführt werden. Der Funktionsterm der Beschleunigung wird dabei direkt auf dem Bildschirm angezeigt [1], [4], [6].
Die Beschleunigungsdaten können in der App mit mathematischen Funktionen weiter bearbeitet werden: Glättung der Messung, Integration zur Anzeige der Geschwindigkeit und des zurückgelegten Weges, .... (Anleitung dazu im Kapitel 9a). Allerdings wird mit jeder zusätzlichen Funktion die Bedienung der App immer schwieriger und die Darstellung unübersichtlicher. Sinnvoller ist es die Messdaten zu exportieren und in einem externen Programm zu bearbeiten (Anleitung dazu im Kapitel 9b und 9c). Auch die Dämpfung der Schwingung kann bei Pendeln analysiert werden: Deutlich ist die exponentielle Abnahme der Amplitude erkennbar. Die Anzeige der e-Funktion ist in der App leider nicht möglich.
4. Experiment: Beschleunigung im Auto und im Flugzeug [9]
Forschungsfrage: Welches Fortbewegungsmittel hat die größere Beschleunigung: Auto oder Flugzeug?
Zur Messung der Beschleunigung beim Anfahren eines Autos [9] wurde das Smartphone mit doppelseitigem Klebeband auf das Armarturbrett eines Autos geklebt. Zur Überprüfung der waagrechten Position diente die Wasserwaage des Smartphones (Android App: Wasserwaage). Bei der Messung der Beschleunigung über die App "Pasco Sparkvue" mit einer Messrate von 100Hz zeigte sich aufgrund der Vibrationen und Erschütterungen im Auto eine große Streuung der Beschleunigungsdaten. Zur genauen Analyse mussten die Daten geglättet und dann für den Geschwindigkeits- und Weg-Zeit Graph integriert werden (siehe Anleitung im Kapitel 9).
Im Beschleunigungsdiagramm ist deutlich das Schalten in den ersten vier Gängen zu erkennen. Die maximale Geschwindigkeit betrug 65 km/h bei einer Wegdifferenz von 158m. Während des Schaltens vom 2. in den 3. Gang und vom 3. in den 4. Gang ist eine größer werdende negative Beschleunigung und eine Abnahme der Geschwindigkeit bemerkbar. Der Grund hierfür ist der mit dem Quadrat der Geschwindigkeit zunehmende Luftwiderstand (cw ~ v²). In der didaktischen Fachliteratur [2] sind weiterführende Experimente beschrieben, bei denen über den Wert der negativen Beschleunigung im Bezug zum Quadrat der Geschwindigkeit der cw Wert des Autos und die Rollreibung µr bestimmt werden kann.
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Zur Messung der Beschleunigung in einem Flugzeug (Airbus A320-300) wurde das Smartphone zunächst vorschriftsmäßig in den Flugmodus geschaltet. Der Beschleunigungssensor ist dabei immer noch aktiv. Die Befestigung des Smartphones erfolgte mit doppelseitigem Klebeband an der Armlehne des Flugzeugsitzes. Die Beschleunigungsmessung (y-Richtung in Rollrichtung) wurde während des Halts vor dem Durchstarten des Flugzeugs auf der Startbahn begonnen. Innerhalb der ersten 10s findet eine starke Zunahme der Beschleunigung statt. Zum Zeitpunkt von ca. 40s hat das Flugzeug eine Geschwindigkeit von v = 290km/h erreicht und hebt nach s = 1400m mit dem vorderen Rad ab. Im Zeitraum t = 40s ... 45s nahm die Schräglage des Flugzeugs zu, bevor es zum Zeitpunkt t ≈ 45s komplett abgehoben ist. Bei der Messung zeigt sich in diesem Zeitraum eine lineare Zunahme der Beschleunigung und ein Sprung im Geschwindigkeitsdiagramm. Erklärbar ist dies aufgrund des zunehmenden Einfluss der Gravitationskraft auf die y-Richtung der Beschleunigungsmessung. Ab dem Zeitpunkt von t = 40s müsste die Neigung des Flugzeugs mit aufgenommen werden, so dass der Einfluss der Gravitationskraft herausgerechnet werden kann.
Beim Vergleich der Beschleunigungsdaten von Flugzeug und Auto zeigt sich, dass die Beschleunigung des Autos im ersten Gang mit der maximalen Beschleunigung beim Start des Flugzeugs vergleichbar ist.
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5. Experiment: Fallbeschleunigung - Zero G [11]
Forschungsfrage: Wie viel g muss ein Smartphone beim freien Fall auf jeden Fall aushalten?
Zur Einstimmung in das Thema der Schwerelosigkeit kann das YouTube Video zum Parabelflug angeschaut werden. Zur Messung der Schwerelosigkeit beim Freien Fall wurde das Smartphone aus s = 1,5m Höhe auf eine weiche Unterlage fallengelassen [3], [11]. Beim Loslassen des Smartphones musste darauf geachtet werden, dass dem Smartphone kein Drehimpuls mitgegeben wird. Alternativ könnte man das Smartphone mit Schnur in 1,5m Höhe an eine Stativstange befestigen und die Schnur mit einem Feuerzeug durchbrennen. Aufgenommen wurde die Beschleunigung mit dem Sensor in y-Richtung und gleichzeitig der Betrag der Summe der Beschleunigungen aller Sensoren (in x-, y-, und z-Richtung).
Quelle: https://youtu.be/-kmiDdRRKyg
Zunächst befindet sich ist das Smartphone in s = 1,5m Höhe in Ruhe, wobei hier eine Beschleunigung von a = 9,81m/s² gemessen wird. Im freien Fall ist das Smartphone schwerelos und hat eine Beschleunigung von g = 0m/s². Beim Aufprall nach t =0,55s hat das Smartphone eine resultierende Beschleunigung von a = 44 m/s². Somit müssen die Komponenten des Smartphones mindestens das Dreifache bis schätzungsweise sechsfache (ohne Kissen) der Erdbeschleunigung aushalten um beim Herunterfallen nicht kaputt zu gehen.
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a) Messung der Beschleunigung beim freien Fall: Darstellung der Kräfte in y-Richtung. |
b) Messung der Beschleunigung beim freien Fall: Darstellung des Betrags der Summe Kräfte. |
Interpretation der Diagramme a) und b):
Nach dem Auftreffen auf die Unterlage zeigen beide Diagramme sehr unterschiedliche Ergebnisse. Beim Diagramm a) (Messung in y-Richtung) ist die Beschleunigung 0m/s² obwohl das Gerät auf dem Kissen ruht. Dieser Wert kommt zustande, da sich das Smartphone beim Aufprall gedreht hat und nun mit der x/y Achse auf dem Kissen liegt. Beim Diagramm b) (Summe aller Kräfte) ist die Beschleunigung in Ruhelage wieder die Erdbeschleunigung, da nun die z-Achse die g = 9,81m/s² misst. Auffallend ist beim Diagramm b), dass beim Liegen eine leicht höhere Beschleunigung als davor gemessen wird. Diese Abweichung kommt zustande da das Smartphone im Kissen leicht schräg liegt und somit Werte des x- und y- Sensors addiert werden. Die unterschiedlichen Beschleunigungen zwischen dem freien Fall und der Ruhelage kommen durch die unkontrollierte Drehung des Smartphones beim ersten Aufprall auf das Kissen zustande. Das Smartphone federte bis zur endgültigen Ruhelage mehrmals vom Kissen ab.
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Im Folgenden wird die Geschwindigkeit und die Wegstrecke während des freien Falls bestimmt. Die Rohdaten der Beschleunigung des Diagramms a) wurden zunächst im Programm "Phywe Measure" um g = 9,8m/s² nach unten verschoben und anschließend zweimal integriert (siehe Anleitung im Kapitel 9). Deutlich ist eine lineare Zunahme der Geschwindigkeit (vmax = 5,2 m/s) und eine parabelförmige Zunahme der Wegstrecke (smax = 1,46 m) erkennbar.
Forschungsfrage: Wie groß ist die Erdbeschleunigung g?
Theoretisch könnte man dies sofort aus dem Beschleunigungsdiagramm ablesen: Die Differenz zwischen dem Halten des Smartphones und dem freien Fall beträgt a = 9,7m/s². Die Abweichung zu 9,81m/s² ist durch eine leichte Kippung des Smartphones beim freien Fall erklärbar. Doch der hier abgelesene Wert entspricht nicht dem realen Messwert: Der Wert von g = 9,81 m/s² wurde der App zur Eichung des Sensors in der Software vorgegeben. Somit kann damit höchstens die Kalibrierung des Sensors überprüft werden. Tatsächlich lässt sich die Erdbeschleunigung entweder über die Geradensteigung des Geschwindigkeitsdiagramms (Messwert: g = 9,7 m/s²) oder über die Formel s = 1/2 g t2 bestimmen (Messwert: g = 10 m/s²).
Aufgabe für den Physikunterricht:
Ausschnitt aus dem Arbeitsblatt |
Aus der Messung der Fallbeschleunigung für die Smartphone Ausstellung entstand eine forschende Aufgabe zum Thema "Zero G" für den Physikunterricht der 10. Klasse. Unter 1. müssen die Schüler auf dem vorgegebenen Arbeitsblatt Angaben zum freien Fall schätzen: Geschwindigkeit, Zeitdauer und Beschleunigung beim Aufprall. Unter 2. erfolgt die Hypothesenbildung: Wie wird das Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und Weg-Zeit Diagramm des freien Falls aussehen? Hierfür sind auf Seite 2 des Arbeitsblattes drei Diagramme zum Eintragen vorhanden. Unter 3. erfolgt die Planung des Experimentes und schließlich die Messung. Alternativ können die Messdaten vorgegeben werden (Seite 3 des Arbeitsblattes). Die Datenauswertung unter 4. kann in der App oder in einem externen Programm erfolgen. Unter 5. soll die Messung mit der Hypothese verglichen, die Werte aus 1. genau berechnet und die Abweichung begründet werden. |
6. Experiment: Beschleunigung in der Achterbahn
Forschungsfrage: Kann aus den Beschleunigungsdaten einer Achterbahn der Bahnverlauf im Unterricht rekonstruiert werden?
Die Beschleunigungsdaten wurden auf der Freiburger Frühjahresmesse in der Achterbahn "Wilde Maus" mit der App "Sparkvue" (Messrate f = 100 Hz) aufgenommen. Die Befestigung des Smartphones erfolgte mit doppelseitigem Klebeband im Wagen. Gemessen wurde gleichzeitig in y-Richtung (Bewegung rechts / links) und in x-Richtung (Bewegung hoch / runter). Zur Motivation der Klasse kann zu Beginn der Aufgabe ein YouTube Video der Achterbahnfahrt in der "Wilden Maus" angesehen werden.
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YouTube Video als Einstimmung zur Aufgabe: Quelle: https://youtu.be/wI_TnSR2Ot8 |
Messung der Beschleunigung während der Fahrt mit der Achterbahn. Rot: Beschleunigung rechts/links Grün: Beschleunigung hoch/runter |
Aus den Beschleunigungsdaten in y-Richtung können deutlich Rechts- und Linkskurven sowie gerade Streckenabschnitte herausgelesen werden. Der Fahrspaß kommt unter anderem durch eine maximale Beschleunigung in der Kurve von a = 11 m/s² zustande. Die Beschleunigung in den Kurven im oberen Abschnitt der Achterbahn nimmt zu, da die Wegführung leicht nach unten geneigt ist. Aus den Beschleunigungsdaten in x-Richtung kann deutlich erkannt werden, dass zu drei Zeitpunkten im Wagen eine kurze Schwerelosigkeit vorhanden ist.
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Aufgabe für den Mathematik- oder Physikunterricht:
Ausschnitt aus dem Arbeitsblatt |
Aus der Messung der Achterbahnfahrt für die Smartphone Ausstellung entstand eine forschende Aufgabe zum Thema "Interpretation von Graphen" für den Mathematikunterricht ab der 5. Klasse. Unter 1. wird zunächst das YouTube Video zur Achterbahnfahrt angeschaut. Unter 2. erfolgt die Einführung und Besprechung der Diagramme. Der Begriff "Beschleunigung" braucht den Schülern dabei nicht bekannt zu sein. Zur Interpretation reicht aus, dass die Ausschläge eine Bewegung des Körpers nach rechts / links bzw. oben / unten bedeuten. Unter 4. erfolgt die die Beschreibung des Graphen und die Übertragung auf das Video: "Was ist zu den folgenden Zeiten passiert?". Unter 5. erfolgt die Beschreibung des Graphen gerade anders herum: Aus dem Text wie "Es geht gleichzeitig nach rechts und unten" soll die entsprechende Zeit aus den Graphen herausgelesen werden. Unter 6.-8. soll aus den Graphen der Bahnverlauf rekonstruiert werden. Für die 3D Darstellung eignet sich das Einzeichnen von Stützen. Als Hausaufgabe soll schließlich eine eigene Bahn konstruiert werden. |
7. Experiment: Beschleunigungsmessung auf der Fahrbahn im Physiksaal
Forschungsfrage: Kann die Geschwindigkeit eines kleinen Propellerwagens zuverlässig bestimmt werden?
Zur indirekten Messung der Geschwindigkeit wurden zwei Methoden gewählt: Das Integrieren von Beschleunigungsdaten und das Differenzieren von Weg-Zeit Daten. Die Beschleunigungsdaten wurden mit dem internen Smartphone-Sensor, die Weg-Zeit Daten mit einem externen Ultraschallsensor aufgenommen. Zur Messung des internen Sensors wurde das Smartphone mit doppelseitigem Klebeband auf dem Propellerwagen festgeklebt. Der externe Sensor wurde über einen Bluetooth AirLink mit dem fahrenden Smartphone verbunden - eine gleichzeitige Messung ist über die kostenlose App "Pasco Sparkvue" möglich.
Messung mit dem Beschleunigungssensor:
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Die Werte der Beschleunigungsmessung in x-Richtung zeigen durch die große Erschütterungen des Smartphones durch den Propeller eine hohe Streuung (siehe Display Smartphone). Erst mit Hilfe einer Glättung der Daten ist ein interpretierbares Beschleunigungsdiagramm entstanden. Die Beschleunigung liegt durchschnittlich bei a = 0,35m/s². Die Geschwindigkeit nimmt linear zu und erreicht in der Zeit t = 2,85s eine Maximalgeschwindigkeit von vmax = 1m/s. Die Wegstrecke nimmt dabei parabelförmig mit einem Maximalwert von smax = 1,3m zu.
Messung mit dem Ultraschallsensor:
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Die Werte der Ultraschall - Wegmessung (grün) liegen ohne bemerkbare Streuung vor und nehmen parabelförmig zu. Der maximale Weg nach t = 2,85s Fahrzeit beträgt smax = 1,5m. Durch die erste Ableitung ergibt sich die Geschwindigkeitskurve (blau) mit einem maximalen Wert von vmax = 0,94m/s. Mit der zweiten Ableitung ergibt sich die Beschleunigungskurve (schwarz) mit einer hohen Streuung. Erst durch eine Glättung dieser Daten (rot) lässt sich eine durchschnittliche Beschleunigung von a = 0,33m/s² bestimmen.
8. Experiment: Beschleunigung bei der Aufzugsfahrt [5]
Forschungsfrage: Um wie viel kg fühlt man sich bei einer Aufzugsfahrt leichter?
Dem Anlass entsprechend erfolgte die Messung der Beschleunigung im Aufzug des Hochhauses der Fakultät für Physik an der Universität Freiburg. Das Smartphone wurde mit doppelseitigem Klebeband an die Aufzugswand geklebt und dabei entsprechend ausgerichtet (Messung der senkrechten Beschleunigung). Im Diagramm ist zunächst deutlich zu erkennen, dass die Beschleunigung beim Anfahren des Aufzugs (a = 0,45m/s²) geringer ist als die Beschleunigung beim Abbremsen (a = -0,68m/s²). Ein 70kg schwerer Schüler fühlt sich beim Anfahren um ca. 3,3kg schwerer und beim Abbremsen um ca. 4,5kg leichter. Ein dauerhafter Abnehmeffekt wäre sicherlich durch den Verzicht des Aufzugs und die sportliche Betätigung im Treppenhaus erreichbar.
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Aus den Beschleunigungsdaten können noch mehr Informationen gewonnen werden: Nach dem Anfahren hat der Aufzug eine konstante Geschwindigkeit von v = 3,75km/h. Insgesamt legt er zwischen dem Erdgeschoss und dem 10. Stockwerk eine Strecke von Δh = 31,8m zurück. Die daraus ermittelte Stockwerkshöhe von ca. h = 3m ist in einem universitären Funktionsgebäude durchaus realistisch. Eine Vergleichsmessung mit dem Drucksensor (Gruppe 3: Experiment 7) im gleichen Aufzug ergab eine Höhendifferenz von Δh = 34m. Der reale Wert ist leider nicht bekannt.
Aufgabe für den Physikunterricht:
![]() (3 Seiten) zur Aufgabe Aufzug. Download: Word, PDF |
Aus der Messung der Aufzugsfahrt für die Smartphone Ausstellung entstand eine forschende Aufgabe zum Thema "Aufzug" für den Physikunterricht der 10. Klasse. Unter 1. müssen die Schüler auf dem vorgegebenen Arbeitsblatt Angaben zum Aufzug schätzen: Fahrgeschwindigkeit, Höhe, Fahrtzeit und Zu- bzw. Abnahme des empfundenen Gewichts. Unter 2. erfolgt die Hypothesenbildung: Wie wird das Beschleunigungs-, Geschwindigkeits- und Weg-Zeit Diagramm des Aufzugs aussehen? Hierfür sind auf Seite 2 des Arbeitsblattes drei Diagramme zum Eintragen vorhanden. Unter 3. erfolgt die Planung des Experimentes und schließlich die Messung (als Hausaufgabe) in einem beliebigen Fahrstuhl. Alternativ können die Messdaten vorgegeben werden (Seite 3 des Arbeitsblattes). Unter 4. soll die Messung mit der Hypothese verglichen, die Werte aus 1. genau berechnet und die Abweichung begründet werden. |
9. Anleitung: Aufnahme und Auswertung von Beschleunigungsdaten mit vier kostenlosen Programmen
Bei Beschleunigungsmessungen ist zur Ermittlung des Geschwindigkeits- oder Weg-Zeit-Diagramms eine Integration und ggf. Glättung der Daten notwendig [6], [8]. Wir haben dazu vier Möglichkeiten mit kostenlosen Apps und Programmen erprobt. Exemplarisch werden in jedem Programm die Daten des freien Falls (5. Experiment) ausgewertet:
a) NEU: Aufnahme und Auswertung mit der App MechanikZ
b) Auswertung der Daten in der App Sparkvue
c) Auswertung der Daten in Calc / Excel
d) Auswertung der Daten in Phywe Measure.
a) Aufnahme und Auswertung mit der App MechanikZ
Alle Beschleunigungs-Experimente auf dieser Seite lassen sich sehr einfach mit der neuen App MechanikZ aufnehmen und auswerten. Die App wurde vom Physiklehrer Dr. Markus Ziegler speziell für den Mechanik-Unterricht des Gymnasiums entwickelt. Die App ist kostenlos, werbefrei und für die beiden Betriebssysteme Android und iOS seit Juli 2017 verfügbar.
Der große Vorteil der App ist die Anzeige von a(t)-, V(t)-, s(t)-, ω(t)- Graphen in x-, y-, z-Richtung, die Glättung der Beschleunigungsdaten und die Messung ohne Einfluss der Gravitation. Zudem ist eine automatische Funktionsanpassung sowie die Darstellung des 3D Beschleunigungsvektors möglich.
Der Filter zur Glättung der Daten (Tiefpassfilter) macht vor allem bei Experimenten mit starken Vibrationen Sinn. Die Stärke des Filters lässt sich vor oder nach der Messung beliebig anpassen (0-100%). Bei Versuchen mit einer schnellen Änderung der Beschleunigung (z. B. beim freien Fall) sollte der Filter deaktiviert werden.
Vor allem bei günstigen Smartphones ist nach der Installation der App eine Kalibrierung zu empfehlen (Button: Start, dann Einstellungen). Im Fenster der Kalibrierung findet man unter dem Button "Hilfe" eine genaue Erklärung zum Vorgehen mit Bildern und Text.
b) Auswertung der Daten in der App Sparkvue
In der App können die aufgenommenen Messdaten direkt analysiert werden. Hierfür stehen Funktionen wie die Glättung (smooth), die Integration (integral) oder die Ableitung (derivative) der Daten zur Verfügung. Durch das Hinzufügen von weiteren Achsen ist es möglich die berechneten Werte im ursprünglichen Graph darzustellen. Die Bedienung der App auf dem kleinen Smartphonedisplay ist jedoch recht mühsam - viel besser geht es mit einem Tablet! Leider können in die App keine eigenen Rechnungen z. B. in y Abhängigkeit der Zeit t eingegeben werden.
- Sparkvue Datei "Freier Fall": Download
c) Auswertung der Daten in Calc / Excel
Um die Messdaten in Excel zu bearbeiten werden diese zunächst aus der App "Sparkvue" exportiert. Der Export der Messdaten erfolgt als txt Datei. Zur Übertragung der Textdatei vom Smartphone an den Computer stehen vielfältige Möglichkeiten zur Verfügung (SD Karte, Mail, GoogleDrive, Bluetooth, ...). Für die Verwendung in Calc / Excel muss die txt Datei importiert werden (Import Excel: Menü: Daten - externe Daten abrufen - aus Text). Dadurch wird erreicht, dass jede Messgröße ein einer eigenen Spalte dargestellt wird. Nun kann die Bearbeitung der Daten in Excel beginnen.
- Excel Datei "Freier Fall": Download
Datenauswertung "von Hand" in Excel: Berechnung von
Glättung (Mittelwert), Geschwindigkeit (Integral) und Weg (Integral).
d) Auswertung der Daten in Phywe Measure
Das Programm Phywe Measure darf zur Auswertung von bereits aufgenommenen Messdaten sowohl auf privaten PC´s als auch auf dem Computernetzwerk der Schule kostenfrei installiert werden: Kostenfreier Download (trotz Preisangabe) auf der Homepage des Programms der Firma Phywe unter dem Reiter "Downloads und Dokumente". Die Datei zur Installation heißt: setupm.exe . Eine kostenpflichtige Lizenz von Phywe Measure ist erst bei der direkten Aufnahme von Messwerten über die USB-Funktion des Cobra4-Wireless-Links erforderlich.
Um die bereits aufgenommenen Messdaten in das kostenfreie Auswertungsprogramm Phywe Measure zu importieren sind drei Schritte notwendig:
1. Zunächst werden die Beschleunigungsdaten aus der App "Sparkvue" exportiert. Der Export der Messdaten erfolgt als txt Datei. Zur Übertragung der txt Datei vom Smartphone an den Computer stehen vielfältige Möglichkeiten zur Verfügung (SD Karte, Mail, GoogleDrive, Bluetooth, ...). Alternativ kann zur Aufnahme von Beschleunigungsdaten auch die kostenfreie App "Phywe Measure" verwendet werden. Die Daten lassen sich auch hier als txt Datei exportieren.
2. Die txt Datei wird in Excel importiert (Import Excel: Menü: Daten - externe Daten abrufen - aus Text). Dadurch wird erreicht, dass jede Messgröße in einer eigenen Spalte dargestellt wird. Die Daten von zwei Spalten (z. B. Zeit t und Beschleunigung y) werden in Excel markiert und in die Zwischenablage kopiert.
3. Das Programm Measure wird geöffnet und die Daten mit dem Tastenkürzel "Strg + V" eingefügt - der Graph erscheint direkt. Mit dem Button "Glätten" erfolgt die Mittelwertbildung, mit dem Button "Kanalumwandlung" kann die Geschwindigkeitskurve ermitteln werden.
Der Aufwand lohnt sich: In Phywe Measure stehen vielfältige Methoden zur Datenanalyse und zur Auswertung zur Verfügung. Zudem ist das Programm sehr übersichtlich gestaltet und erlaubt eine professionelle Darstellung der Daten.
- Ausführliche Anleitung der Schüler für den Export von Daten aus der App "Sparkvue" und den Import in "Measure": Download
- Measure Datei "Freier Fall": Download
10. Geeignete Apps für Experimente mit dem Schall-Sensor
Für die Experimente auf dieser Homepage wurden die folgenden kostenlosen Apps eingesetzt:
System | Name der App | Vor- und Nachteile der App | Symbol | QR Code |
Android | NEU seit 2017: MechanikZ |
Vorteile: |
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Android | Pasco sparkvue |
Vorteile: Nachteil: |
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Android | Physics Toolbox Suite |
Vorteile: Nachteil: |
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Android | Accelerometer Monitor |
Vorteile: Nachteil: |
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iOS | NEU seit 2017: MechanikZ |
Vorteile: |
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iOS | Pasco sparkvue |
Vorteile: Nachteil: |
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11. Literatur zu den durchgeführten Experimenten und weitere Ideen
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[1] S. Egri, L. Szabó: Analyzing Oscillations of a Rolling Cart Using Smartphones and Tablets, in: The Physics Teacher, 53. Jg. (2015), H. 3, S. 162–164.
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[2] C. Fahsl, P. Vogt, (zur Veröffentlichung angenommen). Physics on the Road – Measurements with Smartphones. In: The Physics Teacher. (2015)
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[3] K. Hochberg et al.: Untersuchung des Fallgesetzes, in: Unterricht Physik (2015), H. 145, S. 15–17.
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[4] K. Hochberg, A. Müller, J. Kuhn: Untersuchung des Federpendels, in: Unterricht Physik (2015), H. 145, S. 18–20.
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[5] J. Kuhn, P. Vogt, A. Müller: Analyzing Elevator Oscillation with the Smartphone Acceleration Sensors, in: The Physics Teacher, 52. Jg. (2014), H. 1, S. 55–56.
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[6] J. Kuhn et al.: Beschleunigungen messen mit SPARKvue, in: Physik in unserer Zeit, 44. Jg. (2013), S. 97–98.
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[7] P. Vogt: Smartphone Physics: Beschleunigungsmessungen im Physikunterricht. Lernanlässe oder Lernhindernisse?, Frankfurt 2014.
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[8] P. Vogt: Tablet-Computer als Mess- und Experimentiermittel im Physikunterricht, in: MNU (2014), Themenspezial MINT, S. 66–78.
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[9] P. Vogt, J. Kuhn: Beschleunigungen im Alltag. Online-Ergänzung, in: MNU (2013), 66/4, S. 1–4.
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[10] P. Vogt, J. Kuhn: Analyzing Collision Processes with the Smartphone Acceleration Sensor, in: The Physics Teacher, 52. Jg. (2014), H. 2, S. 118–119.
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[11] P. Vogt, J. Kuhn, S. Gareis: Beschleunigungssensoren von Smartphones. Beispielexperimente zum Einsatz im Physikunterricht, in: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule (2011), H. 60, S. 15–23.
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Autoren / Bilder / Experimente:
Jan Schoch und Florian Bär, Schüler der Kursstufe II, Abitur 2015, Friedrich-Gymnasium Freiburg
Dr. Patrick Bronner, Physiklehrer, Friedrich-Gymnasium Freiburg
CC BY-NC-SA 4.0 © Patrick Bronner (Friedrich-Gymnasium Freiburg / mascil project)