In dieser Arbeit werden Einsatzmöglichkeiten des Android-Smartphones Samsung Galaxy S4 als Experimentiermittel im Physikunterricht untersucht. Diese Arbeit setzt vor diesem Hintergrund folgende Schwerpunkte: Durchführung und Auswertung typischer Experimente mit den internen Sensoren des Samsung Galaxy S4; Durchführung neuer, in dieser oder ähnlicher Form noch nicht publizierter, Versuche; Evaluation und Vergleich von verschiedenen, in bisherigen Publikationen häufig erwähnten, Apps zur Datenerfassung; Vergleich der Messergebnisse von Smartphone und anderen Messmitteln oder der Theorie bei Berücksichtigung der Messfehler.
Aufgrund des begrenzten Umfangs dieser Arbeit wurden von den verschiedenen Sensoren des Samsung Galaxy S4 ausschließlich der Beschleunigungs- sowie Magnetfeldsensor untersucht.
Im Laufe der letzten sieben Jahre haben sich die Fachzeitschriften im Bereich Physikdidaktik (z. B. The Physics Teacher, Naturwissenschaft im Unterricht Physik, Praxis der Naturwissenschaften ─ Physik in der Schule, Computer + Unterricht) bereits mit dem Thema „Smartphone im Physikunterricht“ beschäftigt und dabei eine Vielzahl möglicher Experimente publiziert. Eine entsprechende umfangreiche Zusammenstellung, sortiert nach dem jeweils benutzen Sensor, findet sich im Anhang dieser Arbeit
Inhalt
1 Smartphone im Physikunterricht
2 Sensoren in Android-Smartphones
2.1 Beschleunigungssensor
2.2 Magnetfeldsensor
3 Messwerterfassung für Android-Endgeräte
3.1 Datenerfassung für multiple Sensoren
3.2 Datenerfassung Beschleunigung
3.3 Datenerfassung Magnetfeldstärke
3.4 Remote Control
3.5 Samsung Galaxy S4
4 Experimente: Beschleunigung
4.1 Versuch A1: Federpendel
4.1.1 Versuchsprinzip
4.1.2 Versuchsaufbau
4.1.3 Versuchsdurchführung
4.1.4 Messwerterfassung Smartphone
4.1.5 Versuchsauswertung
4.1.6 Fazit
4.2 Versuch A2: Lagebestimmung Sensor
4.2.1 Versuchsprinzip
4.2.2 Versuchsaufbau
4.2.3 Versuchsdurchführung
4.2.4 Versuchsauswertung
4.3 Versuch A3: Zentripetalbeschleunigung
4.3.1 Versuchsaufbau
4.3.2 Versuchsdurchführung
4.3.3 Versuchsauswertung
4.3.4 Fazit
4.4 Versuch A4: Richtung der Beschleunigung
4.4.1 Versuchsprinzip
4.4.2 Versuchsaufbau
4.4.3 Versuchsdurchführung
4.4.4 Versuchsauswertung
4.4.5 Fazit
4.5 Versuch A5: Luftkissenbahn (Schwingung)
4.5.1 Versuchsprinzip
4.5.2 Versuchsaufbau
4.5.3 Versuchsdurchführung
4.5.4 Versuchsauswertung
4.5.5 Fazit
5 Experimente: Magnetfeld
5.1 Lagebestimmung Magnetfeldsensor
5.2 Versuch B1: Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
5.2.1 Versuchsprinzip
5.2.2 Versuchsaufbau
5.2.3 Versuchsdurchführung
5.2.4 Versuchsauswertung
5.2.5 Fazit
5.3 Versuch B2: Magnetfeld innerhalb einer stromdurchflossenen Spule
5.3.1 Versuchsaufbau
5.3.2 Versuchsdurchführung
5.3.3 Versuchsauswertung
5.3.4 Fazit
5.4 Versuch B3: Magnetfeld eines langen stromdurchflossenen Leiters
5.4.1 Versuchsprinzip
5.4.2 Versuchsaufbau
5.4.3 Versuchsdurchführung
5.4.4 Versuchsauswertung
5.4.5 Fazit
5.5 Versuch B4: Zeitlich veränderliche Magnetfelder
5.5.1 Versuchsaufbau
5.5.3 Versuchsdurchführung
5.5.4 Versuchsauswertung
5.5.5 Fazit
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Quellenverzeichnis
A Anhang
A.1 Sensoren Samsung Galaxy S4 (GT-I9505)
A.2 Versuch A1: Federpendel
A.3 Versuch A2: Position Beschleunigungssensor
A.4 Versuch A3: Zentripetalbeschleunigung
A.5 Versuch A5: Luftkissenbahn (Schwingung)
A.6 Versuch B1: Magnetfeld einer stromdurchflossenen Spule
A.7 Versuch B2: Stromdurchflossener Leiter ─ Magnetfeldrichtung
A.8 Versuch B3: Magnetfeld eines langen stromdurchflossenen Leiters
A.9 Experimente
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist es, die Eignung des Samsung Galaxy S4 als Messinstrument im Physikunterricht zu evaluieren, indem typische und neue Experimente mittels der internen Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren durchgeführt, methodisch verglichen und hinsichtlich ihrer Genauigkeit sowie Tauglichkeit bewertet werden.
- Durchführung und Auswertung physikalischer Experimente mittels Smartphone-Sensoren.
- Vergleich verschiedener Smartphone-Apps zur Datenerfassung.
- Analyse und Korrektur von Messfehlern und Sensor-Offsets.
- Gegenüberstellung der Smartphone-Messergebnisse mit konventionellen Lehrmitteln und theoretischen Modellen.
- Einsatz von MATLAB zur numerischen Datenverarbeitung.
Auszug aus dem Buch
4.1.4 Messwerterfassung Smartphone
Abbildung 4-3 bis Abbildung 4-7 zeigen die mit den fünf verschiedenen Apps ermittelten Messwerte für eine einzelne Periode der Schwingung, was einer Zeitspanne von etwa 1,4 Sekunden entspricht. Unter dem Verlauf der resultierenden Beschleunigung wurde der zeitliche Abstand von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Messwerten (= Datenerfassungsrate) aufgetragen. Zur besseren Übersicht ist diese Darstellung auf die erste der drei durchgeführten Messungen (Linie mit Datenpunkten) eingeschränkt. Der Verlauf ist jedoch repräsentativ für die jeweilige App.
Es zeigt sich, dass die Messergebnisse durch Verwendung des Magnetschalters (vgl. Kapitel 4.1.2) jeweils sehr gut reproduziert werden konnten. Dabei sind wesentliche Unterschiede zwischen den Apps, sowohl in der Aufzeichnungsrate als auch im qualitativen Verlauf, festzustellen. Besonders die mit „Physics Toolbox“ (vgl. Abbildung 4-6) und „Sensor Kinetics“ (vgl. Abbildung 4-7) aufgezeichneten Daten weisen starke Schwankungen in der Aufzeichnungsrate auf, wobei beide den Zielwert von 10ms im arithmetischen Mittel erreichen. Der maximale Messwertabstand kann diesen Wert hier um den Faktor vier (App TB) bis zu sechs (App SK) übersteigen, was zu den gut auszumachenden Sprüngen im Verlauf der Beschleunigung führt. Auffällig ist auch die Periodizität der Schwankung bei Verwendung der App „Sensor Kinetics“. Es scheint, als ob die Sensordaten nicht schnell genug abgespeichert werden können, was nach etwa acht Messwerten mit Hilfe eine längere Pause kompensiert wird.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Smartphone im Physikunterricht: Einleitung in das Thema, Motivation und wissenschaftliches Potenzial der Nutzung von Smartphones als Experimentierplattform im naturwissenschaftlichen Unterricht.
2 Sensoren in Android-Smartphones: Theoretische Grundlagen der in Smartphones verbauten Sensortechnologien, insbesondere MEMS-Beschleunigungs- und Magnetfeldsensoren.
3 Messwerterfassung für Android-Endgeräte: Vorstellung und Vergleich verschiedener Apps zur Datenerfassung sowie Techniken zur Fernsteuerung des Geräts während der Experimente.
4 Experimente: Beschleunigung: Durchführung und Analyse verschiedener mechanischer Versuche zur Beschleunigung, unter anderem an Federpendeln und zur Zentripetalbeschleunigung.
5 Experimente: Magnetfeld: Untersuchung magnetischer Felder an verschiedenen Anordnungen wie stromdurchflossenen Spulen und Leitern unter Verwendung des internen Magnetfeldsensors.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der erzielten Ergebnisse und Diskussion über das Potenzial für künftige, didaktisch optimierte Entwicklungen in diesem Bereich.
Schlüsselwörter
Smartphone, Physikunterricht, Beschleunigungssensor, Magnetfeldsensor, Android, Datenerfassung, MEMS, Sensorik, Schwingung, Zentripetalbeschleunigung, Fehleranalyse, MATLAB, Didaktik, Messwerterfassung, Experimentelle Physik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht das Potenzial und die Grenzen der Nutzung moderner Android-Smartphones (speziell des Samsung Galaxy S4) als physikalisches Messgerät zur Durchführung von Schülerexperimenten.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die zentralen Schwerpunkte liegen auf der Erforschung der eingebauten Sensoren für Beschleunigung und Magnetfeld sowie der Evaluation von Software-Apps zur präzisen Datenerfassung.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel besteht darin, festzustellen, ob Smartphones mit marktüblichen Apps hinreichend genaue Messdaten liefern, um sie als vollwertige Messmittel in den naturwissenschaftlichen Unterricht zu integrieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf empirischen Versuchsreihen, bei denen die Smartphone-Daten mit herkömmlichen Messmethoden oder theoretischen Modellen verglichen und mittels mathematischer Analysen, wie der Fast-Fourier-Transformation, ausgewertet werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Im Hauptteil werden verschiedene Experimente zu mechanischen Schwingungen und magnetischen Feldern (um Spulen und Leiter) durchgeführt, wobei jeder Versuchsaufbau, die Durchführung und die detaillierte Fehleranalyse dokumentiert sind.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit?
Zu den wichtigsten Begriffen zählen Smartphone-Physik, Beschleunigungssensor, Magnetfeldsensor, Datenerfassung, MEMS-Sensoren, Fehleranalyse und schülerzentrierter Unterricht.
Warum wird das Samsung Galaxy S4 explizit untersucht?
Das Modell dient als exemplarische Testplattform, da es typische Sensorkomponenten moderner Smartphones vereint und durch eine verbreitete Android-Plattform für App-Entwickler und Lehrende besonders zugänglich ist.
Welche Rolle spielt die verwendete Software bei der Datenauswertung?
Neben den Apps zur Datenerfassung wird MATLAB als zentrales Werkzeug verwendet, um große Datenmengen numerisch zu verarbeiten, Fehler zu minimieren und die Messungen mathematisch zu modellieren.
Wie werden systemische Messfehler kompensiert?
Die Arbeit setzt auf verschiedene Korrekturmethoden, wie die statische Offset-Korrektur vor Versuchsbeginn und die mathematische Fehlerfortpflanzung nach Gauß, um unvermeidbare Abweichungen durch das Smartphone-Koordinatensystem zu minimieren.
- Arbeit zitieren
- Martin Lamker (Autor:in), 2016, Das Smartphone im Physikunterricht. Experimentiermöglichkeiten mit dem Samsung Galaxy S4, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/459449
