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1 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

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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Fachbereich Physik

Experimente mit Smartphone & Tablet PC, 19.09.2016

Ausgangspunkte und Grundgedanken

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Experimente mit Smartphone & Tablet PC, 19.09.2016

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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Fachbereich Physik

Experimente mit Smartphone & Tablet PC, 19.09.2016

Überblick zu Experimenten mit internen Sensoren in ausgewählten

Themenbereichen der Physik

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Experimente mit Smartphone & Tablet PC, 19.09.2016

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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Zusammenfassung

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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