Die Schüler Philipp Elsässer und Malte Weber haben untersucht, welche Experimente mit dem Magenetfeldsensor des Smartphones und mit externen Sensoren im Physik-, Chemie- und Sportunterricht möglich sind:

 

      1. Wissenschaftliches Poster zur Präsentation der Ergebnisse bei der Ausstellung

      2. Erklärung der Funktion des Sensors

      3. Experiment: Einsatzmöglichkeiten des Magnetfeldsensors

      4. Experiment: Produkttest: Plakette "E Smog frei"

      5. Externe Sensoren für das Smartphone

      6. Experiment: Sprünge auf der Kraftmessplatte

      7.      Experiment: Funktionale Zusammenhänge mit Smart-Carts und Ultraschall
      8. Experiment: Höhenbestimmung von Gebäuden

      9. Experiment: CO2 Konzentration im Klassenzimmer

      10. Experiment: Heißer Kaffee und kalte Milch

      11.      Experiment: Wärmebildkameras im Unterricht
      12. Experiment: Vielfältige Ideen mit weiteren externen Sensoren

      13. Geeignete Apps für Experimente mit dem Magnetfeldsensor

      14. Literatur zu den durchgeführten Experimenten und weitere Ideen

 

 

 

1. Wissenschaftliches Poster zur Präsentation der Ergebnisse bei der Ausstellung

03 B Feld Sensor Bild Stand
Download Poster: DINA3 PDF Experimente am Ausstellungsstand zu Magnetfeld- und externen Sensoren.

 

 

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2. Erklärung der Funktion des Sensors

Prinzip

Die Bestimmung des Betrags und der Richtung der magnetischen Flussdichte B erfolgt im einfachsten Fall über den Hall-Effekt. Bei der Ausstellung wurde das Prinzip des Hall-Effekts an einem Modell (gelbe Platte mit roten Elektronen) erklärt.

Ein Hall-Sensor besteht aus einem Leiter, durch den ein elektrischer Strom I von rechts nach links fließt (technische Stromrichtung). Aufgrund des zu messenden äußeren Magnetfelds B wirkt auf die Elektronen des elektrischen Stroms eine Lorentzkraft FL (im Bild nach unten). Durch die Ansammlung der Elektronen auf einer Seite des Sensors baut sich ein elektrisches Feld E und somit eine Spannung UH auf. Im elektrischen Feld E wirkt die elektrische Feldkraft FE auf alle weiteren Elektronen.

Analogieexperiment

Der Prozess dauert so lange, bis sich ein Kräftegleichgewicht zwischen  Lorentzkraft und elektrischer Feldkraft aufgebaut hat: FL = FE. Die resultierende Hall-Spannung UH kann mit einem Voltmeter gemessen werden und ist proportional zur Stärke des von außen angelegten Magnetfeldes.

Zur präzisen und schnellen Messung von Magnetfeldern wird in Smartphonesensoren oft das Phänomen des Riesenmagnetowiderstands genutzt. Der Effekt kann in Festkörpern beobachtet werden, die aus magnetischen und nichtmagnetischen Schichten bestehen. Der elektrische Widerstand des Sensors hängt dabei von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierung der magnetischen Schichten ab.

Koordinaten Handy

Ein einzelner Magnetfeldsensor kann die magnetische Flussdichte nur eindimensional erfassen. Um Magnetfelder in 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) des Magnetfeldes B an jedem Punkt des Raumes dargestellt werden.

 

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3. Experiment: Einsatzmöglichkeiten des Magnetfeldsensors

Forschungsfrage: Für welche Anwendungen kann der interne Magnetfeldsensor des Smartphones verwendet werden?

Smartphones enthalten nicht-magnetische Speichermedien, weshalb Magnete dem Gerät prinzipiell keinen Schaden zufügen können. Es kann allerdings nicht ausgeschlossen werden, dass starke Magnetfelder die mechanischen Teile des Smartphones (z. B. Sensoren oder Lautsprecher) beschädigen können.

Der interne Magnetfeldsensor kann im Smartphone zur Bestimmung der Richtung des Magnetfeldes der Erde verwendet werden. Oft wird der Sensor mit weiteren 3D Sensoren wie dem Gyrometer- und dem Beschleunigungssensor verknüpft um zum Beispiel die exakte Lage des Smartphones im Raum zu bestimmen (Inertialsensor: Roll-Nick-Gier-Winkel).

Über die App "Physics Toolbox Suite" wurde der Wert für die Stärke des Magnetefelds der Erde in der Schule gemessen: B = 48µT. Der interne Smartphonesensors ist in der Lage Magnetfelder im Bereich von Bmax = ±3,5mT zu erfassen. Bei unserem Smartphone haben allerdings schon Magnete mit einer magnetischen Flussdichte von B > 2mT  zum Abbruch der Messung geführt. Typische Hufeisenmagnete haben eine magnetische Flussdichte von B = 4mT und können vom internen Sensor nicht mehr erfasst werden.

Um die maximale Abtastrate des Sensors zu ermitteln wurde an einen Elektromagneten eine Wechselspannung angelegt, deren Frequenz langsam erhöht wurde. Mit dem Smartphone wurde dabei der zeitliche Verlauf der magnetischen Flussdichte aufgenommen. Bereits bei einer Frequenz der Spannung von f = 5Hz zeigten sich deutliche Abweichungen von der Sinuskurve.  Die maximale Abtastrate des internen B-Feld Sensors liegt beim verwendeten Smartphone somit im Bereich von ca. fmax = 20  - 25Hz.

Fazit: Der interne Magnetfeldsensor des Smartphones kann im Physikunterricht zum Thema Magnetismus nicht sinnvoll eingesetzt werden.

 

Messung B staerke intern Messung B intern
Bei normalen Hufeisenmagneten geht
der interne Magnetfeldsensor bereits in die Sättigung.
Ein Elektromagnet wird mit f=5 Hz betrieben. Der interne Sensor
kann die Daten nicht mehr gleichmäßig aufnehmen.

 

Forschungsfrage: Bringt ein externer B-Feld Sensor im Vergleich zum internen Sensor Vorteile?

Ein externer Magnetfeldsensor (z. B. Cobra4, Pasport oder GoWireless) wird über Bluetooth mit dem Smartphone verbunden. Mit der zugehörigen kostenlosen App können Messdaten aufgenommen und ausgewertet werden.

Wir testeten den Magnetfeldsensor der Produktserie Pasport mit der kostenlosen App "Sparkvue".
Der Messbereich ist wesentlich größer als beim internen Sensor (B = ±168mT). Die Messung der magnetischen Flussdichte bei Hufeisenmagneten ist ohne Probleme möglich - für Neodymmagnete (Bmax  = ±1,6T) ist der Sensor wiederum nicht geeignet.
Die maximale Abtastrate des Sensors beträgt laut Anleitung fmax = 1000Hz. Die zeitlich veränderliche Aufnahme des Magnetfeldes eines Elektromagneten, der mit einer Wechselspannung von  f = 200Hz betrieben wird, ist ohne Probleme möglich. Der Sensor eignet sich somit hervorragend für Messungen der magnetischen Flussdichte im Bereich der Netzfrequenz  von f = 50Hz.

Fazit: Zur Messung der magnetischen Flussdichte von Elektromagneten und Dauermagneten mit dem Smartphone ist ein externer Sensor erforderlich.

 

Messung B staerke externII Messung B extern
Der externe B-Feld Sensor misst magnetische
Flussdichten bis zu Bmax = ±168mT.
Der externe B-Feld Sensor misst magnetische Flussdichten
mit einer Abtastrate von bis zu 1000Hz.

 

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4. Experiment: Produkttest: Plakette "E Smog frei"

Forschungsfrage: Helfen Aufkleber der Marke "E-Smog frei" gegen Elektrosmog?

Wie kann man sich vor elektromagnetischer Strahlung z. B. von Handymasten schützen? Eine Möglichkeit sind Funklöcher in abgelegenen Schwarzwaldtälern. Eine andere Variante ist die Abschirmung des Zimmers durch ein engmaschiges Metallnetz in den Wänden (Faradayscher Käfig).

In der Stadt Freiburg gibt es ein Geschäft, das eine weitere Möglichkeit zum Schutz vor elektromagnetischer Strahlung anbietet: Sticker der Marke "E-Smog frei". Das Funktionsprinzip der Aufkleber ist die Umwandlung der Polarisation von elektromagnetischen Wellen:

"Die guten Wellen sind ´rechtspolarisierend´, die schlechten ´linkspolarisierend´. Schlechte Wellen rauben die Lebensenergie und machen krank. Hausstrom, WLAN, Handy sind leider alle linkspolarisierend und damit schädlich. Mit den Produkten [...] können schlechte in gute Wellen verwandelt werden. Ein kleiner Sticker auf dem Handy reicht und man ist geschützt."
(Quelle: Artikel Warenwelt 63, Fudder Freiburg, 30.09.2010).

ESMOGfrei Roter "E-Smog frei" Sticker zwischen Sensor und Elektromagnet.

 

Die Schülerinnen und Schüler des Physikkurses waren sehr skeptisch und kauften sich einen "E-Smog frei" Sticker zum Sonderpreis von nur 20€. Mit dem Aufkleber wurden ausführliche Tests in der Schule durchgeführt: Gemessen wurde z. B. die magnetische Flusssichte eines Elektromagneten einmal mit und einmal ohne den Sticker. Der Betrieb des Elektromagneten erfolgte mit Wechselspannung im Frequenzbereich von f = 1Hz bis zu f = 100 000Hz, unterschiedlichen Amplituden und mit unterschiedlichen Wellenformen. Eine Abschirmung des Magnetfeldes durch den Sticker konnte weder im niederfrequenten noch im hochfrequenten Bereich nachgewiesen werden.

Eine Messung der Änderung der zirkularen Polarisation einer elektromagnetischen Welle durch den Aufkleber war mit den experimentellen Mitteln der Schule nicht möglich. Eine abschließende Beurteilung der Wirkung des Stickers steht somit noch aus.

 

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5. Externe Sensoren für das Smartphone

Je hochwertiger das Smartphone, desto mehr Sensoren sind darin verbaut. Viele interne Sensoren wie z. B. der Beschleunigungssensor oder das Gyrometer sind für Schulexperimente hervorragend geeignet. Andere interne Sensoren kommen bei bestimmten Experimenten schnell an ihre Grenzen (siehe 3. Experiment). Spezielle Sensoren wie z. B. ein Spannungs/Strom/Leistungs-Sensor (U/I/P-Sensor) oder ein Geigerzähler werden wohl niemals ein fester Bestandteil des Smartphones sein.

Momentan bieten in Deutschland vier Lehrmittelfirmen Messwerterfassungssysteme zum Koppeln mit dem Smartphone oder Tablet an. Die bisher an den Schulen vorhandenen Sensoren eines Systems können durch den Kauf eines Bluetooth- oder WLAN-Interface mit dem mobilen Endgerät verbunden werden. Zur Datenaufnahme und Analyse steht bei allen Firmen eine kostenlose App  zur Verfügung. Viele Firmen bieten inzwischen auch „Kompaktsensoren“ an, bei denen Sensor und Interface in einem Gerät integriert sind. Die folgende Übersicht (alphabetisch geordnet) dient zur preislichen Orientierung der verschiedenen Produktreihen.

 

Firma Name des Systems
Name der App
Symbol
Anzahl Sensoren
Preis *) für Spannungs-Sensor

NeuLog (USA)
(Bezug: Christiani)

System: NeuLog
Keine App erforderlich.
NeuLog ca. 60 Sensoren mit erforderlichem Interface
(Beispiel: T-Sensor: 31,65€ + Interface)
Pasco (USA)
(Bezug: Connatex)
System: Wireless Sensors
App: SPARKvue
Sparkvue ca. 80 Sensoren mit erforderlichem Interface
ca. 25 kompakte Sensoren
(Beispiel: kompakter T-Sensor: 64,64€)
Phywe (DE) System: Cobra Smart Sense
App: Phywe measure
Measure ca. 40 Sensoren mit erforderlichem Interface (Cobra 4)
ca. 20 kompakte Sensoren (Cobra Smart)
(Beispiel: kompakter T-Sensor: 70,21€)
Vernier (USA)
(Bezug: Dynatech)
System: Go Direct
App: Vernier Graphical Analysis
Vernier II ca. 60 Sensoren mit erforderlichem Interface
ca. 20 kompakte Sensoren
(Beispiel: T-Sensor: 128,52€)
 

*) Abruf der Angebote und Preise (inkl. MwSt.) am 01.12.2018 in den Online-Shops der DE-Firmen.

 

Am Friedrich-Gymnasium Freiburg haben sich alle Naturwissenschaften, die Fachschaft Sport, Mathematik und Geographie für das Messwerterfassungssystem einer Firma entschieden. Die gekauften Sensoren und Schnittstellen sind zentral gelagert und können von allen Fachschaften genutzt werden.

 

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6. Experiment: Sprünge auf der externen Kraftmessplatte [4], [5]

Forschungsfrage: Welche Kräfte wirken beim Sprung aus dem Stand und aus der Hocke auf unseren Körper?

Eine Kraftmessplatte wurde über den AirLink mit dem Smartphone verbunden. Die Auswertung der Daten erfolgte mit der kostenlosen App "Sparkvue" bei einer Messfrequenz von f = 1kHz. Die Kraftmessplatte kann eine maximale Kraft von Fmax = 4400N (m = 440kg) messen. Bei der ersten Messung (linker Graph) erfolgte der Sprung aus dem Stand mit Schwung aus den Beinen. Bei der zweiten Messung (rechter Graph) erfolgte der Sprung aus der Hocke.

Beim Sprung aus dem Stand (linker Graph) erfolgt das Aufsteigen des Springers auf die Platte zur Zeit t = 2s. Dabei wird eine Gewichtskraft von F = 710N (m = 71kg) gemessen. Zur Zeit t = 6s holt der Springer Schwung indem er leicht in die Knie geht. Die Gewichtskraft sinkt dabei auf F  = 270N. Beim Absprung zur Zeit t = 6,4s beträgt die maximale Gewichtskraft F = 1670N. Im Zeitraum t = 6,5 - 7,0s befindet sich der Springer für Δt = 0,5s in der Luft. Die Bestimmung der Flughöhe h erfolgt über die Formel h = 1/2 g t² (halbe Flugdauer) und beträgt h = 0,3m. Das Auftreffen auf die Kraftmessplatte erfolgt zur Zeit t = 7,1s. mit einer maximalen Kraft von Fmax  = 4345N (434kg). Die Knochen / Muskeln / Gelenke des Körpers müssen somit kurzzeitig das Fünffache unseres Körpergewichts aushalten!  Danach erfolgt ein Abfedern der Sprungbewegung durch die Beine und schließlich wieder ein ruhiger Stand. Zur Zeit t = 10,4s verlässt der Springer die Messplatte.

 

Sprung normal Sprung Hocke
 Kraftverlauf: Sprung mit Schwung aus den Beinen.  Kraftverlauf: Sprung aus der Hocke.

 

Beim zweiten Sprung (rechter Graph) geht der Springer zur Zeit t = 3,5s in die Hocke. Im Vergleich zum normalen Sprung fehlt die Phase des Schwung holen durch die Beine. Die Sprungzeit und Landephase aus dem Stand unterscheidet sich kaum vom Sprung aus der Hocke.

Weitere Beispiele für fächerverbindende Experimente auf der Kraftmessplatte aus dem Bereich Sport & Physik sind verschiedene Arten des Seilhüpfens, optimale Formen von Liegestützen oder die Untersuchung des Sprungverhaltens verschiedener Bälle.

 

Sport Kraftmessplatte Baelle
Was wurde hier gemessen? 
Kniebeugen oder Seilspringen?
Sprungverhalten verschiedener Bälle:
Träger Gummiball vs. flinker Tennisball.

 

 

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7. Experiment: Funktionale Zusammenhänge mit Smart-Carts und Ultraschall

Forschungsfrage: Wie können funktionale Zusammenhänge spielerisch erlebt werden?

Das Verständnis von funktionalen Zusammenhängen gehört in den MINT-Fächern zum grundlegenden Basiswissen. Eine von vielen Methoden zur Förderung der funktionalen Kompetenz ist das körperliche Erleben mit Fahrzeugen (Carts) oder Ultraschallsensoren.

Smart-Carts der Firma Pasco oder Sensor-Carts der Firma Vernier enthalten zahlreiche Sensoren (Kraft, Weg, Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung) und können über Bluetooth direkt mit dem Smartphone bzw. Tablet gekoppelt werden. Zum Auslesen und zum Bearbeiten der Sensordaten ist die kostenlosen App Sparkvue (Pasco) bzw. die App Graphical-Analysis (Vernier) erforderlich. Die Carts sind vor allem im Physikunterricht zum Thema Mechanik vielseitig und meist ohne Fahrbahn einsetzbar: Z. B. können mit einem ferngesteuertem Propeller Weg-Zeit- oder Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme bei einer konstanten Beschleunigung quer durch das Klassenzimmer aufgenommen werden. Die Sensoren lassen sich beliebig kombinieren, so dass z. B. Kraft-Weg-Diagramme zur Bestimmung der Federhärte D in kurzer Zeit verfügbar sind.

 

Smart4 Smart3
Smart-Cart mit App-gesteuertem Lüfter
zur Fahrt durch das gesamte Klassenzimmer.
Smart-Cart zur Aufnahme des Hookeschen Gesetzes
(Parallelbetrieb von Kraft- und Weg-Sensor).

 

In der kostenlosen App Match-Graph (Pasco) sind vorgefertigte Weg-Zeit- oder Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme auf unterschiedlichem Niveau verfügbar. Über ein Smart-Cart oder einen Ultraschallsensor (Pasco) wird die zughörige Fahrt- bzw. Laufstrecke von Schülerinnen und Schülern live aufgezeichnet und direkt in das gewählte Diagramm projiziert. Zur Steigerung des Wettbewerbs innerhalb der Klasse (Gamification) wird auf dem Bildschirm nach jedem Durchgang die Erfolgsrate in Prozent angegeben. 

Alternativ können die Carts oder Ultraschallsensoren auch ohne Wettbewerbsmodus mit der zugehörigen Firmen-App gekoppelt werden. Zur Förderung des Verständnisses von funktionalen Zusammenhängen werden eigene Vorlagen auf drei Niveaustufen angeboten: grün, gelb und rot. In Tablet-Klassen erfolgt die Ergebnissicherung in Form einer Vergleichstabelle (Download Arbeitsblatt: Word, PDF). Jede Zeile der Tabelle soll am Ende das vorgegebene s(t)- oder V(t)-Diagramm, eine verbale Beschreibung der Bewegung und das Bild der aufgenommenen Messung enthalten.

 

Funktionale Zusammenhänge Smart2
Funktionale Zusammenhänge in der App MatchGraph:
Kompatibel mit Ultraschallsensoren und Smart-Carts.
Funktionale Zusammenhänge mit der App Sparkvue
spielerisch erleben.

 

 

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8. Experiment: Höhenbestimmung von Gebäuden über den Druckunterschied

Forschungsfrage: Kann aus einer Druckmessung die Höhe von Gebäuden und Bergen bestimmt werden?

Bei hochwertigen Smartphones wie dem Samsung Galaxy S4 oder dem iPhone 6 sind Drucksensoren standardmäßig verbaut. Alle anderen Smartphones benötigen zur Druckmessung einen externen Sensor. Der Luftdruck der Atmosphäre ist orts-, temperatur- und wetterabhängig. Zum Berechnen des Drucks p bei einer bestimmten Höhe h kann als Näherung die internationale barometrische Höhenformel verwendet werden:

Formel


Die Formel erlaubt näherungsweise die Berechnung des Luftdrucks p auf einer bestimmten Höhe h, ohne dass die Temperatur T und der Temperaturgradient ΔT bekannt sind. Zum Bestimmen der Höhe h aus dem Luftdruck p wird die Formel entsprechend umgeformt (Alternative: Online-Rechner).

Mit einem externen Drucksensor wurde die Druckdifferenz im Treppenhaus der Schule vom Keller bis zum 3. Obergeschoss gemessen. Der Druck im Keller betrug p = 97,863kPA (978,6hPa), der Druck im 3. OG betrug p = 97,660kPa (976,6hPa). Somit liegt eine Druckdifferenz von Δp = 0,203kPa vor. Mit Hilfe der Formel ergibt sich ein Höhenunterschied im Treppenhaus von Δh = 18m. Bei einer Stockwerkshöhe im historischen Schulgebäude von ca. 4m ist der Wert durchaus realistisch.

 

Turm FG
Druck FG Treppenhaus
Treppenhaus des Friedrich-
Gymnasiums Freiburg.
Druckänderung beim Treppensteigen vom UG in das 3. OG.

 

Eine weitere Messung zur Druckänderung erfolgte  im Aufzug des Hochhauses der Fakultät für Physik an der Universität Freiburg. Der Druck im EG betrug p = 97,442kPA (974,42hPa), der Druck im 10. OG betrug p = 97,040kPa (970,4hPa). Somit liegt eine Druckdifferenz von Δp = 0,402kPa vor. Aus der internationalen Höhenformel ergibt sich eine Höhendifferenz von Δh = 34m. Bei einer Stockwerkshöhe im Universitätsgebäude von ca. 3,5m ist der ermittelte Wert durchaus realistisch. Eine Vergleichsmessung mit dem Beschleunigungssensor (Gruppe 2: Experiment 8) im gleichen Aufzug ergab eine Höhendifferenz von Δh = 31m. Der reale Wert ist leider nicht bekannt.

 

Physikhochhaus
Druck Haohaus Aufzug
Physikhochhaus
der Universität Freiburg.
Messung des Drucks bei der Fahrt mit dem Aufzug
vom EG ins 10. OG und wieder zurück.

 

Forschungsfrage: Liefert die internationale barometrische Höhenformel in Kombination mit der Smartphone-Druckmessung reale Werte?

Da bisher Referenzwerte zur Gültigkeit der internationalen Höhenformel fehlen wurde eine Messung in der Seilbahn des Freiburger Hausbergs Schauinsland durchgeführt. In der Talstation sind genaue Angaben zur Höhe h und zur Höhendifferenz Δh der Schauinslandbahn vorhanden.
An einem heißen und wolkigen Sommertag (T = 30°C, Tiefdruckgebiet) wurde der Druck auf der Referenzhöhe (hTafel = 473,15m) in der Talstation  gemessen: p = 95,61kPa. Wird dieser Druck in die internationale Höhenfomel eingesetzt ergibt sich aus der Rechnung eine Höhe von h = 486m. Die Abweichung von Δh = 13m lässt sich durch eine nicht genaue Kalibrierung des Sensors, dem Einfluss des Tiefdruckgebietes und der erhöhten Temperatur im Sommer auf Meereshöhe erklären. Nach Angaben auf der Tafel in der Talstation beträgt die Höhendifferenz der Bahn Δh  = 746m. Bei der 20-minütigen Seilbahnfahrt wurde eine Druckdifferenz von Δp = 8,3kPa gemessen. Der daraus berechnete Wert für die Höhendifferenz beträgt Δh = 750m.

Fazit: Die Kombination des Smartphone-Drucksensors und der internationalen barometrischen Höhenformel liefert für den Schulunterricht zur Höhenbestimmung von Gebäuden und Bergen realistische Werte. Die Kombination des Drucksensors mit weiteren Sensoren wie GPS und Beschleunigung erlaubt einen Vergleich der verschiedenen Messwerte.

 

Hoehe Schauinslandbahn Schauinslandbahn Schauinslandbahn
Höhenangabe in der Talstation
mit zugehöriger Druckmessung.
Fahrt mit der Schauinslandbahn
bei Freiburg im Hochsommer.
Druckänderung bei der Fahrt
auf den Freiburger Hausberg.

 

 

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9. Experiment: CO2 Konzentration im Klassenzimmer

Forschungsfrage: Besteht ein Zusammenhang zwischen einer schlechten Klausurnote und der CO2 Konzentration im Klassenzimmer?

Bei einer Zunahme der CO2 Konzentration in der Raumluft eines Klassenzimmers kommt es bei Schülerinnen und Schülern zu Unwohlsein, Konzentrationsschwäche und Leistungsabfall. In Innenräumen gilt eine CO2 Konzentration von bis zu 1000ppm als akzeptabel (Pettenkofer Grenze) - 1500ppm sollten an Arbeitsplätzen nicht überschritten werden.

Mit Hilfe eines externen CO2 Sensors wurde die Kohlenstoffdioxid-Konzentration im Klassenzimmer mit dem Smartphone bestimmt. Der Sensor besteht aus einer luftdurchlässigen schwarzen Röhre. An der Decke der Röhre ist eine Infrarotleuchtdiode (IR-LED) angebracht. Des Weiteren befinden sich am Boden ein optischer Bandpassfilter und dahinter ein Sensor für Infrarotlicht. Gase wie Wasserdampf, Methan, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid bestehen aus zwei oder mehreren unterschiedlichen Atomen. Wird ein solches Gas mit Infrarotlicht bestrahlt so erfolgt die Absorption bestimmter Wellenlängen aus dem kontinuierlichen infraroten Spektrum des Lichts. Jedes der genannten Gase besitzt ein charakteristisches infrarotes Absorptionsspektrum. Mit Hilfe eines Bandpassfilters für den infraroten Absorptionsbereich von CO2 kann die Absorptionsintensität gezielt gemessen werden. Je geringer die gemessene Intensität des Lichts, desto größer ist die Anzahl der CO2 Moleküle (ppm) in der Luft.

 

CO2 Klassenzimmer Bild Co2 Klassenzimmer
Messung der CO2 Konzentration
in einem leeren Klassenzimmer.
Messung der CO2 Konzentration im
Klassezimmer bei einer Klausur.

 

Während einer Biologie-Klausur mit 16 Schülerinnen und Schülern (Dauer: 75 Minuten) wurde mit dem Sensor und der kostenlosen App "Sparkvue" die CO2 Konzentration im Klassenzimmer gemessen. Bereits nach 17 Minuten erfolgte die Überschreitung der Pettenkofer Grenze. Obwohl die Lehrerin nach der Hälfte der Zeit die Fenster zum Lüften für sechs Minuten geöffnet hatte, wurde der Grenzwert bereits nach wenigen Minuten wieder überschritten. Nach 66 Minuten erreichte die CO2 Konzentration Werte über 1500ppm. Die hohe CO2 Konzentration im Klassenzimmer könnte somit ein wesentlicher Grund für die schlechte Note bei der Biologieklausur sein.

Professionelle Messungen der CO2 Konzentration in Klassenzimmern erfolgen z. B. am Fraunhofer Institut für Bauphysik mit 30 Schüler-Dummies, die kontinuierlich sowohl Wärme als auch CO2 emittieren. Forschungsziel ist hierbei eine optimale Belüftung von Klassenzimmern mit verschiedenen Lüftungskonzepten. Einen guten Überblick zur Thematik gibt die Broschüre "Lüften an Schulen - bessere Lernbedingungen für junge Menschen" des BINE Informationsdienstes.

 

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10. Experiment: Heißer Kaffee und kalte Milch

Forschungsfrage: Ist heißer Kaffee schneller auf Trinktemperatur, wenn man gleich die Milch dazu schüttet?

Die Fragestellung wird mit zwei externen Temperatursensoren und der App "Sparkvue" untersucht. Statt echtem Kaffee und echter Milch wird 100ml heißes Wasser (TKaffee = 91°C) und 100ml kaltes Wasser (TMilch = 22°C) verwendet. Es finden zwei Messungen parallel statt: Beim rechten Kaffeebecher wurde die Milch gleich dazu gegeben (rote Kurve), beim linken Kaffeebecher (blaue Kurve) erst nach vier Minuten. Der Abkühlvorgang findet in beiden Becher exponentiell - aber mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten statt. Deutlich ist im Diagramm erkennbar, dass der Kaffee links (Milch kommt später hinzu) schneller eine Trinktemperatur von T = 50°C erreicht hat. Der Grund ist die größere Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Raumluft und dem Inhalt der Kaffeetasse. Je größer die Temperaturdifferenz (ΔT als Antrieb), desto größer ist der Wärmestrom von heiß nach kalt (Strom-Antriebs-Konzept).

Eine theoretische Herleitung ist auch über die Exponentialfunktion möglich. Dies wird im Artikel "Kalter Kaffee" der Zeit-Online Redaktion ausführlich und verständlich erklärt.

Ein Arbeitsblatt zum Thema "Tee/Kaffee auf Trinktemperatur" für den Physikunterricht zur Wärmelehre der 9. Klasse mit Bezug zum forschenden Lernen ist hier verfügbar: Word, PDF

 

Kaffeeversuch Temperatur Kaffee
Aufbau des Experiments mit zwei externen Temperatursensoren. Messung der Temperatur in beiden Kaffeetassen.

 

 

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11. Experiment: Wärmebildkameras im Unterricht

Gute Wärmebildkameras für mobile Endgeräte sind bereits ab 250€ von mehreren Firmen erhältlich. Der niedrige Preis erlaubt Schulen eine Anschaffung der Infrarotkameras in geeigneter Zahl für Schülerexperimente. Die Kameras werden nicht über Bluetooth, sondern mit einen USB-C oder Lightning Anschluss mit dem Endgerät verbunden. Beim Kauf ist somit die Festlegung auf ein Betriebssystem erforderlich.

Waerme8 Waerme7
Tablet-Wärmebildkameras verschiedener Firmen. Tablet-Wärmebildkameras für Schülerexperimente.

 

Bevor Lehrerinnen und Lehrer IR-Kameras im Unterricht einsetzen, sollten sich diese intensiv mit der Theorie zur Wärmestrahlung beschäftigen: Ein Milchkännchen aus Metall, das mit kochendem Wasser gefüllt ist wird von einer Wärmebildkamera als Objekt mit einer Temperatur von z. B. nur 36,9°C wahrgenommen. Würden Schülerinnen und Schüler dieses „kalt“ erscheinende Kännchen mit der ganzen Hand anfassen wären schwere Verbrennungen vorherbestimmt. Die Erklärung des physikalischen Phänomens ist die geringe Emissivität von Wärmestrahlung bei glänzenden Oberflächen. Entsprechend müssen Wärmebilder immer im Bezug zur Oberfläche interpretiert werden.

 Mit Wärmebildkameras können zahlreiche Vergleiche zwischen den Eigenschaften des sichtbaren Lichts und der Wärmestrahlung (Reflexion, Absorption, Streuung und Transmission) hergestellt werden. Zudem lässt sich mit IR-Kameras der Alltagskontext sehr einfach in den Unterricht integrieren und mit der Leitperspektive „Bildung für nachhaltige Entwicklung“ verknüpfen.

 

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Ein offener und kreativer Arbeitsauftrag für die Schülerinnen und Schüler der 9. Klassenstufe wäre die Erforschung der Eigenschaften von Wärmestrahlung und der direkte Vergleich mit der optischen Strahlung. Während des Arbeitsauftrags haben die Schülerinnen und Schüler die Möglichkeit, die Wärmebildkamera für Experimente zu Hause auszuleihen. Die Ergebnissicherung erfolgt durch ein Erklärvideo mit eigenen Wärmebildern und Wärmevideos. Die Schüler können dabei das fachliche Niveau des Films selbst wählen:

  • Filmbeitrag für die „Sendung mit der Maus“ – WDR,
  • Filmbeitrag für die Sendung „Galileo“ – Pro7,
  • Filmbeitrag für die Sendung „[W] wie Wissen" – ARD.

Weitere zahlreiche Einsatzmöglichkeiten der Tablet-Wärmebildkameras im Physikunterricht sind in der Präsentation von Herr Dr. Markus Ziegler (Projektgruppe Physikunterricht, Bildungsplan 2016 BW) verfügbar: LINK.

 

Waerme10 Waerme9

 

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12. Experimente: Vielfältige Ideen mit weiteren externen Sensoren

Forschungsfrage: Welche weiteren Experimente können mit den an der Schule vorhandenen externen Sensoren durchgeführt werden?

Wetter Kerze Geiger
Geographie: Messung von Wind-
geschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit, ...
Chemie: Messung der Temperatur
am Docht in einer Kerzenflamme.
Physik: Messung von Radioaktivität
mit einem Geiger-Zähler.
Spektrometer EKG UI Kennlinie
Chemie: Tablet-Spektrometer
für Lichtquellen und Transmission.
Biologie: Messung der EKG Kurve
eines Schülers (Umax= 2,1mV).
Physik: Messung der U-I Kennlinie
eines elektrischen Widerstands R.
 
 

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13. Geeignete Apps für Experimente mit dem Magnetfeldsensor

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 Pasco sparkvue

Vorteile:
Anschluss von externen Sensoren, Export von Daten, Glättung und Integration.

Nachteil:
Interner B-Feld Sensor nicht verwendbar.

Sparkvue Android Spark QR
Android MatchGraph

Vorteile:
Körperliches Erleben von Funktionen
Wettbewerbsmodus

Nachteil:
Nur mit Sensoren der Firma Pasco kompatibel.

MatchGraph MatchGraphAndroid
Android Physics Toolbox Suite

Vorteile:
Alle internen Sensoren messbar, viele Einstellmöglichkeiten, Export von Daten

Nachteil:
Keine genaue Messfrequenz einstellbar.

Physics Toolbox Suite Physics Toolbox Suite QR
Android Compass

Vorteile:
Kompass mit Kamerhintergrund, Screenshots möglich, Kopplung mit GPS.

Nachteil:
Keine Darstellung als Graph möglich.

Compass Compass QR
 iOS Pasco sparkvue 

Vorteile:
Anschluss von externen Sensoren, Export von Daten, Glättung und Integration.

Nachteil:
Interner B-Feld Sensor nicht verwendbar.

Sparkvue
iOS MatchGraph

Vorteile:
Körperliches Erleben von Funktionen
Wettbewerbsmodus

Nachteil:
Nur mit Sensoren der Firma Pasco kompatibel.

MatchGraph MatchGraphiOS

 

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14. Literatur zu den durchgeführten Experimenten und weitere Ideen

    • [1] S. Kimbrough, D. Štrus, C. Toma: Das Magnetfeld der Erde, in: iStage 2 von Science on Stage (2014). Download

    • [2] J. Kuhn, P. Vogt: Untersuchung des Magnetfeldes einer stromdurchflossenen Spule, in: Unterricht Physik (2015), H. 145.

    • [3] K. Forinash, R. F. Wisman: Smartphones as Portable Oscilloscopes for Physics Labs, in: The Physics Teacher, 50. Jg. (2012), H. 4, S. 242.

    • [4] D. Heuer et al.: Sportaktivitäten vielseitig analysieren und modellieren. Video- und Messdaten multimedial aufbereitet., in: Praxis der Naturwissenschaften - Physik in der Schule, 52. Jg. (2003), H. 2, S. 23–30.

    • [5] M. Hillebrecht: Biomechanik im Sporttheorieunterricht. Kraft und Kraft-Zeitverläufe., in: Betrifft Sport, 18. Jg. (1996), H. 5, S. 20–34.

 

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Autoren / Bilder / Experimente:
Philipp Elsässer und Malte Weber, 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)