Jochen Kuhn Patrik Vogt Hrsg. Physik ganz smart Die Gesetze der Welt mit dem Smartphone entdecken Physik ganz smart Jochen Kuhn · Patrik Vogt (Hrsg.) Physik ganz smart Die Gesetze der Welt mit dem Smartphone entdecken Hrsg. Jochen Kuhn Patrik Vogt FB Physik, Technische Universität Institut für Lehrerfort- und Kaiserslautern, Kaiserslautern -weiterbildung (ILF) Rheinland-Pfalz, Deutschland Mainz, Rheinland-Pfalz, Deutschland ISBN 978-3-662-59265-6 ISBN 978-3-662-59266-3 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-59266-3 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2019 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von allgemein beschreibenden Bezeichnungen, Marken, Unternehmensnamen etc. in diesem Werk bedeutet nicht, dass diese frei durch jedermann benutzt werden dürfen. Die Berechtigung zur Benutzung unterliegt, auch ohne gesonderten Hinweis hierzu, den Regeln des Markenrechts. Die Rechte des jeweiligen Zeicheninhabers sind zu beachten. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Der Verlag bleibt im Hinblick auf geografische Zuordnungen und Gebietsbezeichnungen in veröffentlichten Karten und Institutionsadressen neutral. Planung/Lektorat: Lisa Edelhäuser Springer Spektrum ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany Vorwort Neben allseits bekannten negativen Effekten im Schul- und Universitätsalltag kön- nen Mobiltelefone sowie Tablet-Computer den Physikunterricht an vielen Stellen bereichern; zum Beispiel bei der Dokumentation und Auswertung von Experimen- ten mittels Foto- bzw. Videofunktion, beim Austausch von Dateien unter Nutzung verschiedener Schnittstellen, bei der Durchführung von Internetrecherchen oder beim Einsatz der mobilen Endgeräte als Mess- und Experimentiermittel. Das vor- liegende Buch widmet sich dem letztgenannten Punkt, in welchem quantitative Experimente beschrieben werden, in denen das Smartphone bzw. der Tablet-Com- puter eine tragende Rolle spielt. Möglich wird dies durch eine Vielzahl standard- mäßig verbauter Sensoren in diesen mobilen Geräten, welche mit geeigneten und oftmals kostenfreien Apps ausgelesen werden können. Zunächst stand die Konzeption einfacher Experimente im Vordergrund unserer Arbeit, die curricular valide sind und auf ähnliche Weise, lediglich mit anderen Materialien, ohnehin im Physikunterricht oder in der universitären Lehre durch- geführt werden. Dadurch sollte das Messmittel „Smartphone“ ohne größere Anpassungen des Unterrichts in den Lernprozess integriert werden können – erfahrungsgemäß oftmals eine notwendige Voraussetzung für die Akzeptanz eines neuen Mediums bzw. einer neuen Konzeption. In einem zweiten Schritt legten wir den Schwerpunkt dann auf die wesentlichen Vorteile der modernen Mobilte- lefone, die sich in ihrer starken Verbreitung bei den Lernenden und in ihrer hohen Mobilität zeigen. Sie ermöglichen das „Herausgehen“ aus dem Physik- bzw. Hör- saal, die experimentelle Erschließung von Alltagskontexten sowie die Auslage- rung und Vertiefung experimenteller Inhalte in Form von Hausaufgaben. Dadurch wird gewissermaßen eine doppelte Kontextorientierung erreicht, indem ein All- tagsthema mit einem Alltagsgegenstand – dem Smartphone oder Tablet-PC – ver- knüpft wird, also die Verwendung von Lern- und Arbeitsmaterialien, mit denen Schülerinnen und Schüler sowie Studierende vertraut sind. Im vorliegenden Buch werden rund 50 Experimente vorgestellt, in welchen zur Messwerterfassung ein Smartphone oder ein Tablet-Computer genutzt wird. Teil- weise handelt es sich um Laborexperimente, die Standardmaterialien aus einer Physiksammlung benötigen. Andere kommen allein mit Alltagsmaterialien aus und haben nicht selten auch eine Alltagssituation als Untersuchungsgegenstand. Abgedeckt werden zahlreiche Themenfelder der Physik, wobei der Aufbau des Buches dem eines typischen Standardwerks zur Experimentalphysik entspricht. V VI Vorwort Nach Begründung des Einsatzes mobiler Medien in Unterricht und Lehre und diesbzgl. Studienergebnissen in Kap. 1 beschäftigt sich Kap. 2 mit der Kinematik und Dynamik, beispielsweise mit Beschleunigungen und Geschwindigkeiten im Alltag sowie mit der Untersuchung von Kreisbewegungen oder auch mit Stoss- prozessen. Kap. 3 ist der Hydrostatik und Hydrodynamik gewidmet, in welchen u. a. der Schweredruck von Gasen und Flüssigkeiten, aber auch der c -Wert von w Fahrzeugen oder das Fließen von Wasser aus einem Wasserhahn untersucht wird. Mechanische Schwingungen werden in Kap. 4 behandelt und bereiten auf das ebenso umfangreiche Kapitel zur Akustik vor (Kap. 5). Hier werden u. a. zahl- reiche Varianten zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit in Gasen und Fest- körpern präsentiert, verschiedene Phänomene, wie der Doppler-Effekt oder die akustische Schwebung behandelt und eine Vielzahl von akustischen Alltagsanwen- dungen vorgestellt. Den inhaltlichen Abschluss bildet Kap. 6, welches sich opti- schen Phänomenen annimmt und eine Reihe quantitativer Untersuchungen zur Radioaktivität beschreibt. Eine Liste der wichtigsten Apps, einschließlich Bezugs- quellen und Hinweise zu anfallenden Kosten findet der Leser in Kap. 7. Alle vorgestellten Experimente sind bewusst als Einzelbeiträge verfasst und können somit unabhängig voneinander gelesen und erprobt werden. Die Leserin- nen und Leser sind also nicht an die vorgegebene Reihenfolge gebunden und kön- nen sich beim Durcharbeiten des Buches allein von ihren persönlichen Interesse leiten lassen. Das Buch richtet sich an alle Dozierenden des Fachs Physik, Studierende des Lehramts, Referendarinnen und Referendare, ausgebildete Lehrerinnen und Lehrer und hilft bei der Unterrichtsgestaltung, Ideenfindung und letztendlich Einbindung moderner Medien im Physikunterricht. Wir hoffen, dass das Buch unsere Begeisterung für das Experimentieren mit mobilen Endgeräten auf möglichst viele Leserinnen und Leser übertragen kann. Unser Dank gilt den vielen Studierenden, die im Rahmen von Seminar-, Bache- lor- und Masterarbeiten experimentelle Ideen in die Praxis umsetzten sowie Frau Dr. Lisa Edelhäuser und Frau Martina Mechler für die verlagsseitige Umsetzung und Betreuung des Buches. Kaiserslautern Jochen Kuhn Mainz Patrik Vogt im August 2019 Inhaltsverzeichnis 1 Smartphone und Tablet-PC als mobiles Mini-Labor ............... 1 Jochen Kuhn und Patrik Vogt 1.1 Ausgangspunkte und Grundgedanken ........................ 1 1.2 Mobile Mini-Labore zum Lehren und Lernen .................. 2 1.3 Wieso mit mobilen Kommunikationsmedien lernen? ............ 2 Literatur .................................................... 5 2 Kinematik und Dynamik ..................................... 9 Patrik Vogt, Sebastian Becker, Pascal Klein, Stefan Küchemann, Jochen Kuhn, Oliver Schwarz und Michael Thees 2.1 Auf Geschwindigkeit und Beschleunigung kommt es an ......... 9 2.1.1 Beschleunigungen im Alltag ........................ 9 2.1.2 Wie schnell sind geschlagene und geschossene Bälle? .... 13 2.1.3 Geschwindigkeitsbestimmung beim ICE ............... 16 2.2 Vorsicht beim freien Fall .................................. 18 2.2.1 Smartphones im freien Fall ......................... 18 2.2.2 Die Fallzeit hören ................................. 24 2.2.3 Wenn die Luft reibt ................................ 26 2.2.4 Stahlkugeln und Fallschirmspringer ................... 30 2.3 Rund im Kreis herum ..................................... 33 2.3.1 Weiter und schneller im Kreis herum .................. 33 2.3.2 Türeschlagen mal anders ........................... 37 2.3.3 Kreisbewegung bei Kurven- und Kreiselfahrt ........... 40 2.3.4 Mit GPS auf den Weg: Warum der Tachometer immer zu viel anzeigt .................................... 43 2.4 Elastisch und unelastisch Stoßen ............................ 46 2.4.1 Zwei stoßende Wagen .............................. 46 2.4.2 Springende Flummis .............................. 51 2.4.3 Der magnetische Linearbeschleuniger ................. 55 Literatur .................................................... 59 VII VIII Inhaltsverzeichnis 3 Hydrostatik und Hydrodynamik ............................... 63 Patrik Vogt, Lutz Kasper und Pascal Klein 3.1 Wie ändert sich der Luftdruck mit der Höhe? .................. 63 3.2 Das Smartphone in der Taucherglocke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3 Wie windschnittig ist ein Fahrzeug? ......................... 69 3.4 Wenn’s flüssig wird: Physik am Wasserhahn ................... 77 Literatur .................................................... 81 4 Mechanische Schwingungen und Wellen ........................ 83 Jochen Kuhn, Sebastian Becker, Nils Cullmann, Stefan Küchemann, Eva Rexigel und Michael Thees 4.1 Mathematisches Pendel ................................... 83 4.2 Federpendel ............................................ 87 4.3 Gekoppelte Pendel – Kopplung zweier Torsionspendel .......... 91 4.4 Gedämpfte harmonische Schwingungen – Federpendel in Wasser .............................................. 97 Literatur .................................................... 102 5 Akustik .................................................... 103 Patrik Vogt, Michael Hirth, Lutz Kasper, Pascal Klein, Stefan Küchemann und Jochen Kuhn 5.1 Schall steht und bewegt sich ............................... 103 5.1.1 Schallarten ...................................... 103 5.1.2 Schallgeschwindigkeit und Reflexion ................. 107 5.1.3 Akustik der Boomwhackers: Experimentelle Erschließung der Mündungskorrektur ................. 110 5.1.4 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit Abflussrohren .................................... 112 5.1.5 Korkenziehen und Schallgeschwindigkeit .............. 115 5.1.6 Resonanz im Weinglas ............................. 117 5.1.7 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit verschiedener Gase mit einer Pfeife .............................. 121 5.1.8 Schall durch Metall ............................... 124 5.1.9 Bestimmung der Schallgeschwindigkeit mit Messschieber und Glockenspiel ...................... 129 5.1.10 Frequenzabhängigkeit der Hörschwelle – ein Analogieexperiment ............................... 131 5.2 Akustische Schwebung ................................... 135 5.3 Doppler-Effekt .......................................... 138 5.3.1 Der Frequenz auf der Spur .......................... 138 5.3.2 Doppler-Effekt und Erdbeschleunigung ................ 142 5.4 Klänge in Natur und Alltag ................................ 145 5.4.1 Flügelschlagfrequenzen von Insekten ................. 145 5.4.2 Akustische Artbestimmung bei Klopfspechten .......... 146 Inhaltsverzeichnis IX 5.4.3 Was gibt Musikinstrumenten ihren Klang? ............. 148 5.4.4 Konsonanz und Dissonanz .......................... 152 5.4.5 Der Klang von Kirchenglocken ...................... 156 Literatur .................................................... 161 6 Von Licht über Magnetfeld bis zur Radioaktivität ................ 165 Patrik Vogt, Pascal Klein, Sebastian Gröber und Michael Thees 6.1 Einsicht unmöglich ...................................... 165 6.2 Wie weit reicht das Licht? ................................. 169 6.3 Darstellung von Beugungsbildern mit einer Fernbedienung ....... 171 6.4 Über das Magnetfeld ..................................... 176 6.5 Wie kann die Energie radioaktiver Strahlung gemessen werden? ....................................... 178 6.6 Wie kann radioaktive Strahlung abschirmt werden? ............. 182 6.7 Wie lange strahlt radioaktive Strahlung? ...................... 186 6.8 Wie nimmt radioaktive Strahlung mit dem Abstand von einer Strahlenquelle ab? ............................... 190 Literatur .................................................... 193 7 Übersicht der verwendeten Apps ............................... 195 Jochen Kuhn und Patrik Vogt Stichwortverzeichnis ............................................ 197 Herausgeber- und Autorenverzeichnis Über die Herausgeber Prof. Dr. Jochen Kuhn, Leiter der Arbeitsgruppe „Didaktik der Physik“ im Fach- bereich Physik, Wissenschaftlicher Leiter „Zentrum für Lehren und Lernen mit digi- talen Medien“, Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, Deutschland. E-Mail: [email protected] Dr. Patrik Vogt, Leiter des Fachbereichs „Medienbildung, Mathematik, Naturwis- senschaften, Musik, Philosophie“, Institut für Lehrerfort- und -weiterbildung (ILF), Mainz, Deutschland. E-Mail: [email protected] Autorenverzeichnis Sebastian Becker, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Technische Universität Kai- serslautern, Fachbereich Physik, Arbeitsgruppe „Didaktik der Physik“, Kaiserslau- tern, Deutschland. E-Mail: [email protected] Nils Cullman, Lehramtsstudierender und wissenschaftliche Hilfskraft, Technische Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Arbeitsgruppe „Didaktik der Phy- sik“, Kaiserslautern, Deutschland. E-Mail: [email protected] Dr. Sebastian Gröber, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Technische Universität Kaiserslautern, Fachbereich Physik, Arbeitsgruppe „Didaktik der Physik“, Kai- serslautern, Deutschland. E-Mail: [email protected] JProf. Dr. Pascal Klein, Juniorprofessor für „Didaktik der Physik“, Georg-August Universität Göttingen, Fakultät Physik, Didaktik der Physik, Göttingen, D eutschland. E-Mail: [email protected] XI