MESSWERTERFASSUNG IM PHYSIKUNTERRICHT STATION M … · Der Wireless Dynamics Sensor System (WDSS) ist ein über Bluetooth mit dem Computer kommunizierende Höhen- Kraft- und Beschleunigungs-sensor

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FAKULTÄT FÜR PHYSIK Arbeitsgruppe Didaktik der Physik

MESSWERTERFASSUNG IM PHYSIKUNTERRICHT Die Erarbeitung der Aufgabenbeschreibung für die einzelnen Stationen hat Herr Michael Sinzinger tatkräftig mitgeholfen. Danke!

STATION 1: MESSUNGEN MIT SENSOR-CASSY, POWER-CASSY UND CASSY LAB Cassy Lab ist ein Messwerterfassungsprogramm, das auf das (Mess-)Interface Sensor-Cassy und den digitalen Funktionsgenerator Power-Cassy abgestimmt ist.

Das Programm erlaubt einerseits die Steuerung des Funktionsgenerators und andererseits die Regist-rierung von Messsignalen, die von Sensor-Cassy geliefert werden.

Das Messinterface besteht ganz wesentlich aus einem Analog-Digital-Wandler. Sensor-Cassy bietet zwei Eingängskanäle. Input A bietet die Möglichkeit für den Anschluss einer Sensor-Box und für die Erfassung einer Messspannung und eines Messstromes. Input B hält die Möglichkeit für den An-schluss einer Sensor-Box und für die Erfassung einer Messspannung vor.

Die vom Sensor gelieferten Messsignale werden über sensorspezifische Sonsor-Boxen an Sensor-Cassy geleitet. In diesen Sensorboxen erfolgt eine Signalaufbereitung so, dass Sonsor-Cassy die Signa-le verarbeiten kann. Die Sensorboxen werden über einen seriellen Schnittstellenstecker auf Sensor-Cassy aufgesteckt.

Bei der direkten Darstellung von Messströmen und Messspannungen braucht es keiner Signalaufbe-reitung durch eine Sensor-Box.

Stecken Sie nun Sensor-Cassy und Power-Cassy zusammen, schließen Sie an beide Module die Ver-sorgungsspannung an (12 V~ aus Steckernetzteilen), verbinden Sie die beiden Module über USB mit dem Computer und starten Sie das Programm CassyLab.

1.1 Erzeugung eines Wechselspannungssignals mit Power-Cassy Klicken Sie nach dem Programmstart auf das Icon < Werkzeugkasten > (auch F5) an, um die Dialogbox < Einstellungen der Messparameter> aufzurufen. Wenn Sie dort den Reiter <Cassy> wählen, wer-den automatisch die angeschlossen Sensoren an-gezeigt (links Sensor-Cassy, rechts Power-Cassy). Mit einem Rechts-Click auf das Symbol von Po-wer-Cassy öffnen Sie die Dialog-Box für die Einstellung des Funktionsgenerators .

Analog verfahren Sie, um (später) in das Fenster < Einstellungen Sensor-eingang> zu kommen.

Stellen Sie nun Spannungen verschiedener Frequenz und Amplitude ein und betrachten Sie diese mit einem Oszilloskop!

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FAKULTÄT FÜR PHYSIK – FACHDIDAKTIK PHYSIK




1.2 Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs eins Spannungssignals Zeichnen Sie nun die Ausgangssignale von Power-Cassy mit Hilfe von Sensor-Cassy auf! Spannungs-amplitude ca. 6V; Frequenzen: zwischen 1 Hz und 50 Hz. Verwenden Sie den Sonsor-Eingang UB1!

Die Einstellung der Sensorbox erfolgt ganz analog den Einstellungen beim Funktionsgenerator. Zusätzlich sind noch die Parameter für die Messung einzustellen. In die entsprechende Dialog-box kommen Sie, wenn Sie im Fenster < Einstellungen > den Botton „Messparameter anzeigen“ anklicken .

Der Start der Messung erfolgt mit F9 Messung starten/stoppen.

Zur graphischen Darstellung der Messergebnisse wählen Sie in der Dialog-box <Einstellungen> den Reiter Darstellung . Die dort notwendigen Ein-stellungen sind selbsterklärend.

1.3 Aufnahme von U-I-Kennlinien verschiedener Bauteile mit Power- und Sensor-Cassy)

Zeichnen Sie, die U-I-Kennlinie einer Glühbirne (6 V, 100 mA) auf. Verwenden Sie Power-Cassy als Spannungsquelle und Sensor-Cassy und Cassy Lab zur Aufzeichnung. Zeichnen Sie die Kennlinie mit Spannungen verschiedener Frequenz (0,02 Hz, 1 Hz und 50 Hz) auf, vergleichen Sie die Ergebnisse und geben Sie einer Erklärung für die Unterschiede! Warum gehen Glühlampen meist beim Einschal-ten kaputt?

Nehmen Sie mit dieser Messanordnung die Kennlinien weiterer Bauteile auf (Festwiderstand ca. 100 Ohm, Halbleiterwiederstand, Leuchtdiode, …)!




STATION 2: AUFZEICHNUNG VON BEWEGUNGSVORGÄNGEN MIT SENSOR-CASSY UND CASSY LAB 2.1 Bestimmung der Fallbeschleunigung mit der “g-Leiter Starten Sie CassyLab und klicken Sie nach dem Programmstart auf das Icon < Werkzeugkasten > (auch F5) an, um die Dialogbox < Einstellun-gen der Messparameter> aufzurufen.

Klicken Sie in der Dialogbox <Einstellungen> auf den Botton „Beispiel laden“. Dort finden Sie unter Versuchsbeispiele Physik Mechanik den Versuch „Freier Fall mit g-Leiter“.

Bauen Sie den Versuch entsprechend der Anleitung auf und öffnen Sie die zugehö-rige Messdatei.

Zur Aufbereitung der Lichtschrankensignale müssen diese an die Timer-Box gelegt werden, die ihrerseits an den Eingang E am Sensor-CASSY angeschlossen wird.

Das Messwerterfassungssystem kennt die Abmessungen der g-Leiter und ermittelt aus der Dauer und dem zeitlichen Abstand der Dunkelzeiten der Lichtschranke die Zeit-Ort-Funktion der Bewegung und hieraus durch Differenzenbildung die Zeit-Geschwindigkeit- und die Zeit-Beschleunigung-Funktion. Der Computer erfasst immer (erst) dann einen Messwert (hier Messung der Zeit), wenn an der Licht-schranke eines der Ereignisse „Wechsel von hell auf dunkel“ oder „wechsel von dunkel auf hell“ auf-tritt. Vertrauensbildende Maßnahmen Die Schüler/innen müssen erst davon überzeugt werden, dass eine so undurchschaubare Messanord-nung auch wirklich das misst, was sie messen soll. Das kann durch sog. vertrauensbildende Maß-nahmen geschehen. Bewegen Sie dazu die g-Leiter auf verschiedene Weisen (konstante Geschwin-digkeit, beschleunigte Bewegung oder erste Hälfte der Bewegung ganz langsam, dann eine Zeitlang stehen bleiben und dann ganz schnell weiter) durch die Lichtschranke und betrachten Sie die t-x und t-v-Diagramme dazu.

Verwenden Sie die Meßdatei nun zur Untersuchung des freien Falls und zur Ermittlung der Fallbe-schleunigung. Schützen Sie die g-Leiter vor Verbiegungen, indem Sie sie in einen Karton mit Schaum-stoff fallen lassen.

Untersuchen Sie sowohl den Fall ohne Anfangsgeschwindigkeit (geeignete Anordnung überlegen!) als auch einen „fliegenden Start“.

Hängen Sie (symmetrisch) zusätzliche Massestücke an die g-Leiter und bestimmen Sie g!

Für den Umgang mit dem Programm verwenden Sie bitte das entsprechende Hinweisblatt und die Hilfefunktion.

2.2 Bewegungen auf der Fahrbahn

Untersuchen Sie unter Benutzung von Sensor-Cassy, der BMW-Box und des Meßwertaufnehmers (337 631) die Bewe-gung von Fahrzeugen auf der schiefen Ebene. Handelt es sich dabei um zeitgesteuerte oder um ereignisge-steuerte Messungen?

Hinweise zum Meßwertaufnehmer Die Bewegung eines Körpers wird im Meßwertaufnehmer (337 631) auf ein extrem reibungsarm laufendes Speichenrad übertragen, das mit 2 Miniaturlichtschranken abgetastet wird. Im Computer werden die Unterbrechungen der Lichtschranken als Information über den Bewegungsablauf gezählt und in eine wegproportionale Spannung umgesetzt bzw. (nach Verarbeitung der digitalen Signale im Computer) als Weg angezeigt. Die Geschwindigkeit ergibt sich aus der Zahl der Unterbrechungen pro Zeiteinheit, die Beschleunigung aus der zeitlichen Veränderung dieser Zählrate. Je nach Programm werden Geschwindigkeit und Beschleunigung auf durch Differenzieren des Weges nach der Zeit bzw. differenzieren der Ge-schwindigkeit nach der Zeit gewonnen.




STATION 3: ERFASSUNG VON MESSWERTEN MIT COBRA UND MEASURE 3.1 Aufzeichnung von Spannungssignalen aus dem Funktionsgenerator

Die Messwerterfassungssoftware Measure ist auf die Sensoreinheiten des Erfassungssystems Cobra abgestimmt. Cobra kommuniziert drahtlos mit dem PC. Die Funk-basierte Kommunikation zwischen dem PC und den Sensor-Einheiten leistet der Cobra4 - Wireless Manager1) in Verbindung mit

dem Cobra4 - Wireless-Link2). Die Sensor-Einheiten werden mit dem Wireless-Link verbunden3).

Starten Sie das Programm Measure und stecken Sie nun Wireless-Manager in eine freie USB-Buchse

Verbinden3) Sie die Sensor-Einheit Electricity4) mit dem Wireless-Link2).

1 2 3 4 Wenige Sekunden nachdem Sie den Wireless-Link eingeschaltet haben, erkennt das Programm die angeschlossenen Sensoren und öffnet den Navgator .

Über den Reiter allgemeine Einstellungen kommt man zu einem Dialogfenster zur Einstellung der Zeitparameter für den Verlauf der Messung.

Mit einem Doppelklick auf das Spannungssymbol kommt man in ein Dialogfenster in dem die not-wendigen Einstellungen für den Spannungs-Messkanal vorgenommen werden.

Gestartet wird eine Messung mit dem Botton .

Zeichnen Sie Spannungen verschiedener Frequenz, Amplitude und Signalform aus einem Funktions-generator auf!

3.2 Aufzeichnung von Induktionsspannungen

Zeichnen Sie Induktionsspannungspulse auf, die Sie durch das Herausziehen einen Magneten aus einer

Spule erzeugen und die durch den freien Fall eines Stabmagneten durch eine Folge von fünf hinterei‐

nandergeschalteten Spulen erzeugt wird.

3.3 Messungen mit dem Kraftsensor

Zeichnen Sie die Schwingung eines Federpendels mit Hilfe des Kraft-sensors force 4N (Messbereich -4N - +4N) auf! Zeigen Sie, dass die Schwingungsfrequenz unabhängig von der Amp-litude der Schwingung ist!

Untersuchen Sie wie die Schwingungsdauer von der Masse Massen und der Federkonstanten abhängt.

3.4 Messungen mit dem Beschleunigungssensor (a) Machen Sie eine Sprint durch den Gang und zeichnen Sie die

Funktion a(t) auf. Errechnen Sie v(t) und x(t) durch numerische Integration.

(b) Nehmen Sie die Schwingung eines Federpendels mit Hilfe eines Beschleuni-gungssensors auf. Bestimmen Sie aus den gemessenen Daten die Eigenfre-quenz und die Federkonstante!




STATION 4: ERFASSUNG VON MESSWERTEN MIT LOGGER PRO UND DEM WIRELESS DYNAMICS SENSOR (WDSS) VON VERNIER-SENSOREN Der Wireless Dynamics Sensor System (WDSS) ist ein über Bluetooth mit dem Computer kommunizierende Höhen- Kraft- und Beschleunigungs-sensor. Die Software LoggerPro 3 erkennt den Sensor und ist auf ihn ab-gestimmt.

Vorbereitung Stellen Sie sicher, dass Ihr Computer bluetooth-fähig ist. Prüfen Sie auf der Registrierkarte „Hard-ware“, Schaltfläche „Gerätemanager“, ob der Computer bereits über ein Bluetooth-Funkgerät verfügt und der Microsoft-Bluetooth-Treiber verwendet wird.

Inbetriebnahme 1. Schalten Sie den Sensor WDSS ein (OI Schalter): Leuchtdiode Data Collection (mit dem Symbol

“Läufer“) wechselt von rot nach grün, die Leuchtdiode für Bluetooth leuchtet rot. 2. Starten Sie nun Logger Pro 3 und wählen Sie die Pull-Down-Menüs

<Experiment>, <Connect Interface>,

<Wireless>, <Scan for Wireless Devices>.

Das Programm erkennte den Sensor meist erst nach dem 2. Scannen.

Nach der Bestätigung des Sensornamens schalte die Leuchtdiode Bluetooth am WDSS von rot nach grün und das System ist messbereit.

Nun sind noch folgende Einstellungen nötig: 3. Messzeit und Samplingrate festlegen: Geschieht im Fenster Data Collection in das man über das

Uhrsymbol in der Kopfzeile gelangt. 4. Den Beschleunigungssensor vor der Messung auf Null stellen: Button <Zero> in der Kopfzeile,

oder Strg+0. 5. Starten Sie die Messung mit <Collect> .

Messungen:

(i) Nehmen Sie den Sensor mit beiden ausgestreckten Händen und machen Sie zügig 10 saubere Kniebeugen. Ermitteln Sie für den Vorgang den Gesamtweg, den Ihre ausgestreckten Hände zu-rückgelegt haben.

(ii) Befestigen Sie den Sensor fest an ihrem Körper und starten Sie auf Höhe des Aufzugs folgenden Versuch: Laufen Sie zügig um den äußeren Gang des Treppenhauses (biegen Sie dabei in den Kurven jeweils scharf ab) bis Sie wieder beim Aufzug sind. Fahren Sie mit dem Aufzug in das Erdgeschoß und dann wieder zurück. Beenden Sie dann die Messung und analysieren Sie die Be-schleunigungskurve ax(t), ay(t) und az(t), sowie das Ergebnis für den Höhensensor h(t). Berechnen Sie durch numerische Integration die Datensätze und Graphen zu vz(t) und z(t) und die Graphen für Ihre Bewegungsrichtung.

(iii) Interpretieren Sie die erhaltenen Diagramme. Vergleichen Sie u. a. das Diagramm zu z(t) mit dem zu h(t)!

(iv) Bauen Sie einen Kegel aus Pappe oder einen Fallschirm, hängen Sie den WDSS unten an das be-wegungshemmende Bauteil und zeichnen Sie für den freien Fall mit Luftwiderstand den Verlauf der Bewegung auf. Stellen Sie h(t), v(t) und x(t) graphisch dar! Hinweis: Befestigen Sie den Sensor so gut am Flugobjekt, dass er nicht frei herunterfällt und sorgen sie beim Auftreffen auf dem Boden für eine weiche Landung!




STATION 5: METHODE DER KLEINEN SCHRITTE 1. Studieren Sie die Informationen zur Methode der kleinen Schritte und bearbeiten Sie den freien

Fall mit Reibung! 2. Erstellen Sie mit einer Tabellenkalkulation Ihrer Wahl eine Datei, mit welcher der im Infotext zur

Methode der kleinen Schritte behandelte Bewegungsvorgang (freier Fall mit Reibung) 60 Sekun-den lang simuliert wird. Berechnen Sie a(t), v(t) und s(t) für das genannte Zeitintervall und stellen Sie die Ergebnisse gra-phisch dar!

Hinweise: Beachten Sie bei der Erstellung der Tabelle den Unterschied zwischen relativer Adressierung (B14) und absoluter Adressierung ($D$9). Die Größe des verwendeten Zeitschritts ist ein Parameter, der sinnvoll gewählt werden muss. Wo im Tabellenblatt erkennen Sie, ob der gewählte Wert geeignet ist? Speichern Sie dieses Tabellenblatt. Sie benötigen es für Aufgabe 5 noch einmal.

3. Simulieren Sie den Fall eines Fallschirmspringers, der nach 30 s den Fallschirm öffnet. Diskutieren Sie seine Überlebenschancen im simulierten Fall und Vergleichen Sie mit dem realen Vorgang.

4. Ändern Sie das Tabellenblatt so ab, dass die harmonische Schwingung eines Federpendels (D = 3,0 N m-1; m = 0,10 kg) simuliert wird.

5. Erweitern Sie diese Simulation um die Berücksichtigung der Dämpfung der Schwingungsbewe-gung durch die Luftreibung.

6. Gruppe 4 untersucht den freien Fall eines Kegels experimentell. Erstellen Sie eine Simulation zum Experiment dieser Gruppe und vergleichen Sie die Ergebnisse.

7. Vergleichen Sie die hier verwendete Methode mit der Darstellung in gängigen Schulbüchern.




STATION 6: MODELLBILDUNG CMA Coach 6 Studio MV – Modellbildung

1. Einarbeitung in die Benutzung des Programms Studieren Sie anhand der Handreichung die Modellierung eines Physikalischen Prozesses durch Erstellung eines Wirkungsgefüges in einem Modellbildungsprogramm. Erstellen Sie das beschriebene Wirkungsgefüge in Coach 6 und stellen Sie die Ergebnisse in Wer-tetabellen und Diagrammen dar.

2. Erzeugen Sie dann das Wirkungsgefüge für die „Newton‐Maschine“

F; m → a(t) → v(t) → x(t).

Vereinfachen Sie es zur Simulation des freien Falls ohne Luftwiderstand.

Per Rechtsklick in ein Grafikfenster können Sie unter dem Punkt „Analysis“ verschiedene Auswer‐

tungen durchführen, u. a. die Anpassung von Funktionstermen an die erhaltenen Graphen. 3. Erweitern Sie die Newton‐Maschine zur Simulation des freien Falls mit Luftwiderstand. Vergleichen

Sie das Ergebnis mit dem, das Sie in Station 5 mit Hilfe der Methode der kleinen Schritte und eine

Tabellenkalkulation erhalten haben. 4. Erstellen Sie ein Wirkungsgefüge zur Simulation der ungedämpften Schwingung eines Federpendels.

STATION 7: VIDEOANALYSE

Mit Viana 1. Untersuchen Sie mit dem Videoanalyseprogramm Viana den Demo-Film fall.avi. Benutzen

Sie zunähst die manuelle Auswertung, experimentieren Sie dann mit der automatischen Auswertung.

2. Filmen Sie ein Spielzeugauto, das eine schiefe Ebene hinunterrollt. Analysieren Sie dieses Video.

3. Untersuchen Sie die Bewegung eines Aufziehautos vom Start bis zum Stillstand durch Reibung.

4. Basteln Sie aus buntem Papier einen Kegel. Die Fallbewegung eines solchen Kegels ist ein Standardbeispiel für eine Bewegung mit Luftwiderstand. Untersuchen Sie diese Bewe-gung mithilfe der Videoanalyse.

5. Sind Weitwinkel- oder Teleaufnahmen prinzipiell besser für eine Videoanalyse geeignet?

Mit Coach Lab 1. Untersuchen Sie mit dem Videoanalyseprogramm von Coach 6 den Demo-Film fall.avi.

Benutzen Sie zunähst die manuelle Auswertung, experimentieren Sie dann mit der auto-matischen Auswertung. Vergleichen Sie u. a. auch die Bewegung beider Objekte in y-Richtung.

2. Basteln Sie aus buntem Papier einen Kegel. Die Fallbewegung eines solchen Kegels ist ein Standardbeispiel für eine Bewegung mit Luftwiderstand. Filmen Sie diese Fallbewegung und analysieren Sie dieses Video.

3. Lassen Sie einen Wagen so eine schiefe Ebene (Fahrbahn) hinunterrollen, dass er am un-teren Ende elastisch zurückgestoßen wird. Untersuchen Sie diese Bewegung mithilfe der Videoanalyse.

4. Untersuchen Sie verschiedene elastische und völlig inelastische Stöße zwischen zwei Wä-gen auf einer Fahrbahn.

5. Sind Weitwinkel- oder Teleaufnahmen prinzipiell besser für eine Videoanalyse geeignet?




STATION 8: MESSUNGEN MIT DEM TINSPIRE

Der CAS-Rechner Nspire von Texas Instruments arbeitet u. a. mit Sensoren des Herstellers Vernier zusammen. Einige dieser Sensoren liefern digitale Signale – dann können sie über einen Mini-USB-Stecker direkt in den Rechner eingespeist werden. Alle anderen Sensoren werden über ein Interface mit dem Rechner verbunden.

1. Aufnahme des t- -Diagramms eines Schmelzvorgangs

Erhitzen Sie in einem geeigneten Behältnis eine nicht zu große Menge eines Eis-Wasser-Gemischs (Heizplatte mit Magnetrührer) und messen Sie mit dem Temperatursensor in sinnvollen Zeitab-ständen die Temperatur.

Sobald Sie den Temperatursensor mit dem Nspire verbinden, geht er in einen Betriebsmodus zur Messwerterfassung.

Zunächst müssen die Einstellungen für das Experment (u. a. Zeitauflösung, Dauer) festgelegt werden:

[menu] → 1: Experiment → 7: Erfassungsmodus → 1: Zeitbasiert

In den Dialogboxen navigieren Sie wie von PC-Anwendungen gewohnt: Cursorsteuerung über das Touchpad des Rechners oder Bewegen mit [tab]; Eingaben annehmen mit [enter].

Das Experiment startet per [menu] → 1: Experiment → 2: Er-fassung starten oder durch Anklicken des Sym-bols

Ein laufendes Experiment kann per [menu] → 1: Experiment → 5: Erfassung erweitern (…) während es läuft verlängert werden.

Am Ende der Messzeit erhalten Sie eine graphische Darstellung der Daten. Mit den Icons im Kopfbereich links könne Sie umschal-ten zwischen der Ansicht als Graph oder der Tabelle oder der An-sicht des Messinstruments.




Während die Messung zu Versuch 1 läuft, arbeiten Sie mit einem anderen Rechner weiter.

2. Aufzeichnung von Bewegungsdiagrammen

Verwenden Sie nun den Ultraschall-Entfernungsmesser Go!Motion. Experimentieren Sie mit seinen Funktionen und seiner Reichweite.

Sie sollen nun mit Ihrem eigenen Körper möglichst präzise die nachfolgend vorgegebenen Bewegungsdiagramme „nachgehen“. Definieren Sie dazu geeignete Einstellungen.

Stellen Sie sich gegenseitig auch eigene Aufgaben.

3. Experimente mit dem Kraftsensor Force Plate

Erkunden Sie die Möglichkeiten dieses Sensors!

Mögliche Experimente:

• Aufzugfahrt auf dem Sensor stehend

• Untersuchung des Kraftstoßes (→ Auswertung: In‐tegral) und der erreichten Sprunghöhe bei ver‐schiedenen Sprungtechniken. Vgl. Sie dazu den fol‐genden Schulbuchtext (Dorn/Bader, Physik Gymna‐sium Gesamtband Sek. II, Schroedel Verlag Hanno‐ver (2000), S. 89)!




STATION 9: MESSUNGEN MIT DER SOUNDKARTE Kommt noch

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