Bestimmung der Erdbeschleunigung mit dem Mobiltelefon

Bewegt sich eine Schallquelle relativ zu einem Beobachter, so nimmt dieser eine Frequenzverschiebung wahr. Der nach dem österreichischen Forscher Christian Andreas Doppler (1803-1853) benannte Effekt kann unter Verwendung von Alltagsgegenständen dazu genutzt werden, um die Erdbeschleunigung g mit guter Genauigkeit zu bestimmen. Hierzu lässt man ein Handy, welches einen Ton konstanter Frequenz emittiert, frei fallen und registriert den Frequenzverlauf mithilfe eines Mikrofons. Die beobachtbare Frequenzverschiebung nimmt mit der Fallgeschwindigkeit des Handys zu. Dieser Effekt lässt sich mit Freeware-Programmen auswerten und ermöglicht unter Berücksichtigung des Geschwindigkeits-Zeit-Gesetzes für gleichförmig beschleunigte Bewegungen die Berechnung der Erdbeschleunigung.

Kompetenzen

Fachkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler sollen

• wissen, dass die bei einer Relativbewegung von einer tonaussendenden Quelle und einem Empfänger wahrnehmbare Frequenzverschiebung von der Ausgangsfrequenz f₀ und der Relativgeschwindigkeit v abhängt.
• wissen, dass zwischen der Dopplerverschiebung ∆f und der Ausgangsfrequenz f₀ beziehungsweise der Relativgeschwindigkeit v ein proportionaler Zusammenhang besteht.
• Kenntnis darüber haben, dass die Dopplerverschiebung ∆f - unabhängig davon, ob sich der Sender oder der Empfänger bewegt - näherungsweise mit der Gleichung ∆f = f₀ v/c beschrieben werden kann.
• ein Experiment zur Bestimmung der Erdbeschleunigung beschreiben und durchführen können.
• das Geschwindigkeits-Zeit-Gesetz für gleichförmig beschleunigte Bewegungen ohne Anfangsgeschwindigkeit wiedergeben können.
• den Literaturwert der Erdbeschleunigung (g ≈ 9,81 ms^-2) kennen.

Medienkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler sollen

• unter Nutzung einer geeigneten Tongeneratorsoftware Töne konstanter Frequenz erzeugen und als WAV-Datei speichern können.
• WAV-Dateien mittels Bluetooth oder USB-Kabel von einem Computer auf ein Handy mit MP3-Funktion übertragen können.
• mit der Tonanalysesoftware SPEAR erzeugte Spektrogramme (dynamische Spektren) interpretieren können.
• einen speziellen Frequenzverlauf mithilfe der Software SPEAR selektieren und als TXT-File exportieren können.

Sozialkompetenz
Die Schülerinnen und Schüler sollen in Kleingruppen zielgerichtet arbeiten können.

Kurzinformationen

Didaktisch-methodischer Kommentar

Ein Stück Lebenswelt im Physikunterricht - das Handy
Die Physik wird vonseiten der Schülerinnen und Schüler oftmals als eine Wissenschaft angesehen, die ausschließlich im Physiksaal wirkt und mit dem täglichen Leben nichts zu tun hat. Ursache hierfür ist eine zu geringe Anbindung der Lerninhalte an der Lebenswelt der Schülerinnen und Schüler. Für sie ist der traditionelle Unterricht geprägt von Handlungen, die im Alltag keine Rolle spielen sowie von Begriffen und Experimentiergeräten, die im täglichen Leben nicht benötigt werden. Um der beschriebenen Situation ein Stück weit entgegenzuwirken, wird durch das hier vorgeschlagene Experiment versucht, ein bei den Lernenden im Allgemeinen sehr beliebtes Medium sinnvoll in den Physikunterricht zu integrieren.

Verknüpfung von Lerninhalten
Dadurch, dass die Bestimmung der Erdbeschleunigung wie auch die Untersuchung des Dopplereffekts (optisch wie akustisch) völlig zu Recht schon seit langer Zeit den ihnen gebührenden Platz im Physikunterricht der gymnasialen Oberstufe gefunden haben, ermöglicht der hier beschriebene Versuch darüber hinaus eine vertikale Verknüpfung von Lerninhalten im Sinne eines spiralartig aufgebauten Curriculums: Der freie Fall und somit die Erdbeschleunigung werden in der Regel zu Beginn des Oberstufenunterrichts im Zuge der Kinematik behandelt, der Dopplereffekt dagegen erst am Ende des Mechanikunterrichts bei der Erarbeitung des Themas "Schwingungen und Wellen".

• Aufbau und theoretischer Hintergrund des Experiments
  Der Versuchsausbau und die mathematischen Zusammenhänge werden dargestellt. Ein Messbeispiel wird vorgestellt und die Nutzung der Software beschrieben.

Download

Internetadressen

• Audacity
  Der betriebssystemunabhängige Audioeditor ist Freeware und kann kostenfrei aus dem Netz heruntergeladen werden.
• SPEAR
  Mit der Freeware-Software zur Tonanalyse können dynamische Spektren ausgewertet werden.
• Test Tone Generator
  Auch dieser Shareware-Stereo-Tongenerator kann zur Erzeugung der Testtöne verwendet werden.

Literatur

• Dengler, R. (2003)
  Mobile Kommunikation - Experimente rund um eine weit verbreitete Hochfrequenztechnik. In: V. Nordmeier (2003), Didaktik der Physik. Beiträge zur Frühjahrstagung der DPG - Augsburg 2003. Berlin: Lehmanns.
• Falcão, A. E. G. Jr.; Gomes, R. A.; Pereira, J. M.; Coelho, L. F. S.; Santos, A. C. F. (2009)
  Cellular Phones Helping To Get a Clearer Picture of Kinematics. The Physics Teacher, 47, Seite 167-168
• Hammond, E. C.; Assefa, M. (2007)
  Cell Phones in the Classroom. The Physics Teacher, 45, Seite 312
• Müller, S., Vogt, P. & Kuhn, J. (zur Veröffentlichung eingereicht)
  Das Handy im Physikunterricht: Anwendungsmöglichkeiten eines bisher wenig beachteten Mediums. In: PhyDid B - Didaktik der Physik - Beiträge zur DPG-Frühjahrstagung, Hannover 2010

• Villa, C. (2009)
  Bell-Jar Demonstration Using Cell Phones. The Physics Teacher, 47, Seite 59

Informationen zu den Autoren

Dr. Patrik Vogt ist Realschullehrer für Physik und Mathematik. Er hat im Fachbereich Natur- und Umweltwissenschaften der Universität Koblenz-Landau im Fach Physik promoviert und ist derzeit auf eine Postdoktorandenstelle abgeordnet. Seine Arbeitsgebiete sind die theoriegeleitete empirische Lehr-Lern-Forschung, die Entwicklung neuer Experimente für die Sekundarstufe I und II sowie die atmosphärische Elektrodynamik.

• Mehr Infos im Autorenverzeichnis
  Hier können Sie Kontakt mit Herrn Dr. Vogt aufnehmen. Zudem finden Sie hier eine Liste mit allen Lehrer-Online-Beiträgen des Autors.

PD Dr. habil. Jochen Kuhn ist als akademischer Oberrat in der Lehreinheit Physik der Universität Koblenz-Landau/Campus Landau tätig und habilitierte im Fachgebiet Didaktik der Physik. Seine Arbeitsgebiete in der Physikdidaktik sind die Entwicklung einer neuen Aufgabenkultur und fächerübergreifender Unterrichtskonzeptionen zum Physikunterricht sowie die theoriegeleitete empirische Lehr-Lern-Forschung in Schule und Hochschule. In jüngster Zeit beschäftigt er sich darüber hinaus mit der theoriegeleiteten Entwicklung neuer Schulversuche für die Sekundarstufe I und II.

Sebastian Müller studiert die Fächer Physik und Mathematik für das Lehramt an Realschulen. Im Rahmen seiner Staatsexamensarbeit hat er sich mit Einsatzmöglichkeiten des Mobiltelefons im Physikunterricht beschäftigt und dabei insbesondere eine Reihe von Handyexperimenten entwickelt.

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