Physik Im Freizeitpark Möglichkeiten Und Vergleich Von Beschleunigungs- Und GPS-Messung Sowie Videoanalyse
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Julius-Maximilians-Universität Würzburg Fakultät für Physik und Astronomie Lehrstuhl für Physik und ihre Didaktik Schriftliche Hausarbeit zur Ersten Staatsprüfung für das Lehramt an Gymnasien Physik im Freizeitpark Möglichkeiten und Vergleich von Beschleunigungs- und GPS-Messung sowie Videoanalyse von Manuel Schüttler Februar 2011 Prüfer und Betreuer: AR Dr. Thomas Wilhelm Vorwort In dieser Arbeit sollen der Einfachheit halber Begriffe wie Schüler, Lehrer etc. geschlechts- neutral verwendet werden. Es sind im Folgenden also immer Schülerinnen und Schüler bzw. Lehrerinnen und Lehrer gemeint. Bilder, Tabellen etc. sind selbst erstellt, falls nicht anders gekennzeichnet. Screenshots von verwendeten Programmen wurden in manchen Fällen nachbearbeitet, um Verständnis und Lesbarkeit zu fördern. Auf ausdrückliche Hinweise wird bei solchen Bildern verzichtet. Bei Zitaten von Internetseiten, welche nicht in gedruckter Version vorliegen, wird nach Möglichkeit der Anbieter der Seite angegeben, sowie die URL-Adresse mit dem Datum, an welchem die Seite aufgerufen wurde. Hierzu ist noch anzumerken, dass für Zitate aus Wikipedia-Artikeln zwar keine Garantie gegeben werden kann, jedoch aufgrund der Po- pularität von Internet-Enzyklopädien nicht darauf verzichtet wird. Sowohl für Schüler als auch für Lehrer ist es deshalb wichtig, sich mit den im Internet gefundenen Informationen kritisch zu befassen. Inhaltsverzeichnis I Einleitung 1 II Hardware 2 1 GPS-Geräte 2 1.1 Garmin Foretrex 101 - Personal Navigator . 3 1.2 Pasco GPS Position Sensor (PS-2175) . 4 2 Beschleunigungssensoren 5 2.1 Pasco Acceleration Sensor (PS-2119) . 6 2.2 Phywe Cobra4 Sensor-Unit 3D-Acceleration . 7 3 Datenlogger 7 3.1 Pasco Xplorer GLX (PS-2002) . 8 3.2 Phywe Cobra4 Mobile-Link . 10 4 Videoaufnahmegeräte 11 4.1 Sony Cyber-shot DSC-T5 . 12 4.2 Panasonic Lumix FS 5 . 13 III Software 14 5 GPS-Programme 14 5.1 GPS Utility . 15 5.2 G7 to Win . 16 6 Programme zu den Beschleunigungssensoren 18 6.1 Pasco Data Studio . 18 6.2 Phywe measure . 19 7 Videoanalyseprogramme 21 7.1 Phywe measure dynamics . 21 7.2 CMA Coach6 Studio MV . 22 8 Sonstige Programme 23 8.1 Videobearbeitungsprogramme . 23 INHALTSVERZEICHNIS 8.2 Tabellenkalkulationen . 24 IV Theorie 25 9 Grundlagen zur Mechanik 25 9.1 Newtonsche Axiome . 26 9.2 Massepunkte und Schwerpunkt . 26 9.3 Kreisbewegung . 27 9.4 Pendelbewegung . 28 9.5 Gravitation, Gewichtskraft, Masse . 30 9.6 Bezugssysteme . 31 9.7 Energie . 31 9.8 Haftung und Reibung . 32 10 Einordnung in den Lehrplan 33 10.1 Fachprofil Physik . 34 10.2 Klasse 7 . 34 10.3 Klasse 8 . 35 10.4 Klasse 9 . 35 10.5 Klasse 10 . 35 V Praxis 38 11 Kreisbewegungen 38 11.1 Kolumbusjolle . 38 11.2 Wiener Wellenflieger . 42 11.3 Feria Swing . 46 12 Pendelbewegungen 53 12.1 London Bus . 53 12.2 Vindjammer . 65 13 Komplexe Bewegungen 76 13.1 Alpenexpress „Enzian“ . 76 13.2 Euro-Mir . 78 13.3 Blue Fire . 82 13.4 Silver Star . 93 III INHALTSVERZEICHNIS VI Schlusswort 103 Literatur 105 Tabellenverzeichnis V Abbildungsverzeichnis VI Anhang XIII Danksagung XIV Selbstständigkeitserklärung XV IV Teil I Einleitung Die Begeisterung von Schülern für den Physikunterricht lässt im Laufe der Schuljahre nach. Dagegen erfreuen sich Vergnügungsparks immer größerer Beliebtheit. Diese Arbeit verbindet diese beiden Entwicklungen und stellt einen modernen Zugang zum Mechanik- Unterricht her. Die Aktualität solcher Verknüpfungen zeigt sich anhand der medialen Omnipräsenz von Begriffen wie Edutainment, Infotainment oder Entertainment. Als Bindeglied zwischen Physikunterricht und Vergnügungspark dienen in dieser Ar- beit einige der Fahr-Attraktionen des Europa-Parks in Rust, welche den Schüler ver- deutlichen sollen, dass sie auch in ihrer Freizeit mit physikalischen Problemen und Phä- nomenen konfrontiert werden können. Es wurden Messungen mit Beschleunigungs- und GPS-Sensoren sowie Videoanalysen durchgeführt, welche in Teil V vorgestellt werden. Die physikalische Analyse der Bewegungen bereitet hierbei oft weniger Probleme als der Um- gang mit den Messgeräten. Da Experimentieren in der Physik stets voraussetzt, Geräte bedienen zu können, werden deshalb zusätzlich in den Teilen II bzw. III die verwendeten Geräte und Programme vorgestellt. Ziel der Arbeit ist neben der Vermittlung von Kompetenzen beim Umgang mit Hard- ware und Software auch die korrekte Analyse der Messungen sowie deren geeignete Dar- bietung für die Schule zu bieten. Eine sicherlich aufwendige Möglichkeit sind Exkursionen zu kooperierenden Vergnügungsparks oder Schaustellern auf Volksfesten. Hier können die Schüler selbst Messungen durchführen und Videos drehen, um diese später im Unterricht zu analysieren und auszuwerten. Die Durchführung als Schülerexperiment wirkt motivie- render als eine Präsentation bereits durchgeführter Messungen während des Unterrichts. Jedoch kann es passieren, dass die Schüler dabei ihre Aufmerksamkeit auf die falschen Dinge fokussieren. Selbst wenn eine Exkursion nicht möglich ist, kann mit Messungen wie aus Teil V der „Umgang mit Wissen und Informationen“1 gefördert werden. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen dabei die Analyse von Schaubildern sowie das räumliche Vorstellungsvermögen, aber auch für den Umgang mit Medien und die Nutzung des Computers werden Ratschläge gegeben. Die Arbeit erhebt keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit und bietet Anregungen für weitere interessante Teilaspekte. Diese sind in Teil VI zusammengefasst. Es werden lediglich die markantesten Merkmale von Geräten und Programmen bzw. die wichtigsten Erkenntnisse der Messungen vorgestellt. 1[ISB 2010], 1. Teil II Hardware In diesem Teil der Arbeit werden die verschiedenen Geräte behandelt, mit denen die Messungen aus Teil V aufgenommen und gespeichert wurden. Hierzu gehören neben den GPS-Geräten, den Beschleunigungssensoren und den Datenloggern auch Videokameras, mit denen die Clips für die Videoanalysen gedreht wurden. Zu jedem Punkt werden die verwendeten Alternativen vorgestellt und miteinander ver- glichen. Die Abwägung von Vor- und Nachteilen steht dabei im Vordergrund. Es soll aufgezeigt werden, welche Eigenschaften bei Kauf und Verwendung der Geräte besonders zu beachten sind. Die genaue Funktionsweise wird in dieser Arbeit nicht behandelt, es wird jedoch auf weiterführende Literatur verwiesen. 1 GPS-Geräte Das Global Positioning System (kurz: GPS) erlangte in den letzten Jahren eine immer größere Bedeutung im Alltag. Seine Entwicklung begann 1973 und geht auf das amerikanische Verteidigungsministerium zurück. Die zivile Nutzung wurde bereits 1983 beschlossen, jedoch ist das System erst seit Juli 1995 vollständig betriebsbereit2. Wäh- rend das System zu Beginn vor allem dem Schiffs- und Flugverkehr zur Ortsbestimmung (und über die zeitliche Ableitung auch zur Geschwindigkeitsbestimmung) diente, ist die GPS-Technik mittlerweile in vielen Kraftfahrzeugen in Form von Navigationssystemen vertreten. Sogar in Mobiltelefonen der neueren Generation sind GPS-Sensoren integriert. GPS-Geräte kommunizieren mit Satelliten und bestimmen so ihre Position. Diese Po- sition kann man in verschiedenen Koordinatensystemen darstellen. Das bekannteste ist dabei das geographische Gitter (also die Einteilung der Erde in Längen- und Breiten- grade). Die Unterscheidung von Nord- und Südhalbkugel bzw. westlicher und östlicher Hemisphäre erschwert jedoch die Weiterverarbeitung der GPS-Daten. Deshalb nehmen viele GPS-Geräte ihre Messpunkte in anderen Koordinatensystemen auf. Eine gute Zu- sammenfassung über verschiedene Gitter bietet die Staatsexamensarbeit von Matthias Braun3, in welcher auch die Funktionsweise von GPS-Geräten erläutert wird4. Im Weiteren werden GPS-Geräte als Blackbox-Messgeräte behandelt. Es soll hier nur 2mehr dazu unter [Kowoma 2008] 3[Braun 2007], S. 2-9 4[Braun 2007], S. 36-40 II. HARDWARE 1 GPS-GERÄTE darauf Wert gelegt werden, dass ein GPS-Gerät zu verschiedenen Zeitpunkten die ermit- telte Position aufnimmt und speichert. Aus diesen Daten können unter anderem zurückge- legte Wege und Geschwindigkeiten errechnet werden. Je nach Gerät gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Datenpakete auf einen Computer zu übertragen und dort weiter zu verarbeiten (hierzu mehr in Teil III). Die beiden folgenden Abschnitte 1.1 und 1.2 befassen sich mit den GPS-Geräten Fo- retrex 101 von Garmin und GPS Position Sensor von Pasco. Dabei wird auch erklärt, wie man das jeweilige Gerät mit einem Computer verbinden kann. 1.1 Garmin Foretrex 101 - Personal Navigator Das Foretrex 101 (siehe Abbildung 1) ist ein kleines GPS-Gerät, welches man sich wie eine Armbanduhr um das Handgelenk legen kann. Zu seinen Merkmalen gehören neben einem Speicher für 500 Wegpunkte und 20 Routen auch ein Tripcomputer, mit welchem unter anderem ein Kompass, zurückgelegte Entfernungen und die momentane Geschwin- digkeit angezeigt werden können. Man kann bis zu 10.000 Trackpunkte aufnehmen, wobei einstellbar ist, ob ein festes Zeitintervall (minimal eine Sekunde) oder eine definierte Stre- cke zwischen aufeinander folgenden Trackpunkten liegen soll. Die Bedienung erfolgt über fünf Tasten und ist einfach zu erlernen. Die wichtigsten Menüpunkte sind mit wenig Aufwand schnell zu erreichen und umfassen neben der Dar- stellung der Signalstärke und der Trackaufzeichnung auch den Tripcomputer. Dem Gerät liegt ein Verbindungskabel zum Computer bei. Allerdings benötigt man entweder einen Computer mit serieller Schnittstelle oder einen Adapter für einen verfüg- baren Anschluss (z. B. USB). Am Computer findet man die Verbindung als COM-Port vor. Die Nummer des Ports ist wichtig für die Software,