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. 1. 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-Sensoren

      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

Download Poster: DINA3 PDF	Experimente am Ausstellungsstand zu Magnetfeld- und externen Sensoren.

 

 

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2. Erklärung der Funktion des Sensors

	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.
	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.
	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 B_max = ±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. f_max = 20  - 25Hz.

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

 

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 (B_max  = ±1,6T) ist der Sensor wiederum nicht geeignet.
Die maximale Abtastrate des Sensors beträgt laut Anleitung f_max = 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.

 

 

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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).

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.

 

*) 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.

 

Erklärvideos für Schülerinnen und Schüler zur Verwendung der externen Sensoren am Friedrich-Gymnasium-Freiburg:

Erklärvideo: Kopplung Temperatursensor	Erklärvideo: Bestimmung U/I-Kennlinie Widerstand	Erklärvideo: Bestimmung der Federkonstante D

 

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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 F_max = 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 F_max  = 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.

 

 

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.

 

 

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

Forschungsfrage: Wie können funktionale Zusammenhänge mit Hilfe von Sensoren 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 Smart-Carts oder Ultraschallsensoren.

7 a) Beschreibung von Smart-Carts

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 ferngesteuerten Motoren Weg-Zeit- oder Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme bei einer konstanten Geschwindigkeiten oder 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 (letzter Teil Video YouTube) in kurzer Zeit verfügbar sind. In der YouTube-Playlist "Digitale Messwerterfassung" sind zahlreiche Unterrichtsbeispiele für Smart-Cart Experimente vorhanden.

Smart-Cart mit App-gesteuerten Motoren zur Fahrt durch das gesamte Klassenzimmer.	Smart-Cart zur Aufnahme des Hookeschen Gesetzes (Eigenes Erklärvideo zum Experiment: YouTube).

 

7 b) Funktionale Zusammenhänge in Partnerarbeit erleben

Zur Förderung des Verständnisses von funktionalen Zusammenhängen mit Hilfe von Smart-Carts oder Ultraschallsensoren ist eine Sensor-Ausstattung für Schülerexperimente in Partnergruppen sinnvoll.

Ultraschall-Sensoren für Schülerexperimente in Partnerarbeit.	Smart-Carts für Schülerexperimente in Partnerarbeit.

In der kostenlosen App Match-Graph (Pasco) sind vorgefertigte Weg-Zeit- oder Geschwindigkeits-Zeit-Diagramme auf unterschiedlichem Niveau verfügbar. Über einen Ultraschallsensor (Pasco) oder einen Smart-Cart (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. 

Ergebnissicherung mit digitaler Heftführung (Klasse 8).	Ergebnissicherung mit analoger Heftführung (Klasse 7).

 

Die Ergebnissicherung in Form einer einfachen Vergleichstabelle für die Klassenstufe 7/8 erfolgt entweder durch einen analogen Heftaufschrieb oder mit einem digitalen Arbeitsblatt (Download Arbeitsblatt MatchGraph mit s(t)-Diagrammen für Ultraschallsensoren: 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.

Für die Aufnahme von Geschwindigkeits-Weg-Diagrammen in der App Match-Graph eignen sich nur noch Smart-Carts, da im Gegensatz zum Ultraschall-Sensor die Datenrate zur Aufnhame des Weges wesentlich höher ist. Die Ergebnissicherung in Form einer Vergleichstabelle mit Hypothesenbildung und dem Vergleich der Diagramme für die Klassenstufe 9/10 erfolgt mit einem digitalen Arbeitsblatt (Download Arbeitsblatt MatchGraph mit s(t)- und v(t)-Diagrammen für SmartCarts: Word, PDF).

 

Aufnahme von vorgegebenen Geschwindigkeits-Zeit Diagrammen mit SmartCarts in der App MatchGraph.	Protokoll von Schüler*innen: Hypothesenbildung und gleichzeitige Messung beider Diagramme in der App Sparkvue.

 

 

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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:

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.

 

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 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 (h_Tafel = 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.

 

 

 

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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.

 

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 (T_Kaffee = 91°C) und 100ml kaltes Wasser (T_Milch = 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

 

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.

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. Artikel zum Thema: Download Artikel_Waermebild.pdf

 

 

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.

Ergebnis einer Schülerin der 9. Klassenstufe:

 

Auch zum Thema der Wärmepumpe ist die Wärmebildkamera im Unterricht sinvoll einsetzbar:

 

Das Funktionsmodell der Wärmepumpe löst bei Schüler*innen trotz der Visualisierung mit der Wärmebildkamera meist weniger Begeisterung aus. Motiviernder ist es deshalb die Wärmepumpe mit einer Kompressor-Eismaschine zur verknüpfen. Die Idee dazu stammt von StRef Felix Kleinheins. Arbeitsblatt zur Unterrichtseinheit "Wärmepumpe" mit Hypothesenbildung und offenen Aufgaben (Download: Word / PDF)

 

Zum Arbeitsblatt passendes Erklärvideo zur Funktion der Eismaschine für die Methode-Flipped-Classroom:

 

 

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

 

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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?

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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.
Android	MatchGraph	Vorteile: Körperliches Erleben von Funktionen Wettbewerbsmodus Nachteil: Nur mit Sensoren der Firma Pasco kompatibel.
Android	Physics Toolbox Suite	Vorteile: Alle internen Sensoren messbar, viele Einstellmöglichkeiten, Export von Daten Nachteil: Keine genaue Messfrequenz einstellbar.
Android	Compass	Vorteile: Kompass mit Kamerhintergrund, Screenshots möglich, Kopplung mit GPS. Nachteil: Keine Darstellung als Graph möglich.
iOS	Pasco sparkvue	Vorteile: Anschluss von externen Sensoren, Export von Daten, Glättung und Integration. Nachteil: Interner B-Feld Sensor nicht verwendbar.
iOS	MatchGraph	Vorteile: Körperliches Erleben von Funktionen Wettbewerbsmodus Nachteil: Nur mit Sensoren der Firma Pasco kompatibel.

 

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14. Literatur zu den durchgeführten Experimenten und weitere Ideen

 

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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)