Smartphone auf dem Plattenspieler

Smartphone auf dem Plattenspieler
Aufbau des Experiments
Kurzbeschreibung
Bestimmung der Sensorposition innerhalb des Smartphones
Kategorien
Vorpraktikum
Kompetenzerwerb
Fragestellung entwickeln	0
Hypothesen aufstellen	0
Experiment planen	+
Experiment funktionsfähig aufbauen	0
Beobachten, Messen, Dokumentieren	+
Daten aufbereiten	++
Schlüsse ziehen	++
Informationen
Punkte	5/10
Raumnummer	1'###
Uni	Humboldt-Universität zu Berlin

In allen Smartphones sind heute Beschleunigungssensoren (auch Accelerometer) und meist auch Gyroskope (Rotationssensoren) verbaut. Diese werden von verschiedenen Apps genutzt, beispielsweise zur Steuerung von Spielen durch Neigen für die Navigation.

Fragestellung entwickeln

Die leitende Fragestellung des Experiments lautet:

Wo befindet sich der Beschleunigungssensor des Smartphones?

Vermutung oder Hypothese aufstellen

Dieses Experiment prüft keine Hypothese, sondern dient einzig der Bestimmung eines Messwerts.

Experiment planen

Der Abstand des Beschleunigungssensors zur Drehachse r kann über die Zentripetalkraft bzw. -beschleunigung bestimmt werden.

${\vec {F}}_{ZP}=m{\vec {\omega }}\times ({\vec {\omega }}\times {\vec {r}})(1)$

${\vec {a}}_{ZP}={\vec {\omega }}\times ({\vec {\omega }}\times {\vec {r}})(2)$

Wird der Koordinatenursprung im Mittelpunkt des Plattentellers gewählt, kann unter Vernachlässigung der der geringen Dicke des Smartphones angenommen werden:

${\vec {r}}=\left({\begin{matrix}r_{x}\\r_{y}\\0\end{matrix}}\right)$ und ${\vec {\omega }}=\left({\begin{matrix}0\\0\\\omega _{z}\end{matrix}}\right)$

Damit vereinfacht sich (2) zu:

${\vec {a}}_{z}=-{\omega _{z}}^{2}{\vec {r}}=-{\omega _{z}}^{2}\left({\begin{matrix}r_{x}\\r_{y}\\0\end{matrix}}\right)$

Und damit folgen unmittelbar die Komponenten des Abstands ${\vec {r}}$ .

Aufgabe:

1. Machen Sie sich mit der App „phyphox“ vertraut, die es ermöglicht Messwerte mit dem Smartphone aufzunehmen. Wichtige Punkte sind hierbei:
   1. Das innere Koordinatensystem, siehe dazu phyphox.org/de/unterstutzte-sensoren
   2. Die Funktion „Fernzugriff“
   3. Auswahl eines voreinstellten Experiments in der App, insbesondere „Experiment Plattenspieler“
2. Wie schätzen Sie die Präzision des Beschleunigungssensors ein. Benennen Sie mögliche weitere Störfaktoren.

Experiment funktionsfähig aufbauen

Aufgabe:

Richten Sie den Plattenspieler mithilfe der Wasserwaage genau aus. Öffnen Sie das „Experiment Plattenspieler“ in der App und verbinden Sie den Laptop über die Funktion Fernzugriff. Entfernen Sie die Filzmatte und legen Sie das Smartphone mit dem Display nach unten auf den Plattenteller und schieben Sie es zur Fixierung bis an den Rand.

Beobachten, Messen, Dokumentieren

Nehmen Sie Messwerte für Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit mit der App auf. Wiederholen Sie diese Messung für beide einstellbaren Geschwindigkeiten des Plattenspielers und ein weiteres Mal, bei dem Sie den Plattenteller selbst sehr langsam drehen. Versenden Sie ihre Messwerte per Mail.

Daten aufbereiten

Aufgabe:

1. Tragen Sie die Komponenten der Beschleunigung für alle drei Messungen in Abhängigkeit der Zeit in ein Diagramm ein. Überlegen Sie, welche Funktion man nach den theoretischen Überlegungen erwarten würde und erstellen Sie eine entsprechende Fit-Funktion der Daten.
2. Nutzen Sie das Ergebnis der langsamen Messung, um die beiden anderen Messungen zu korrigieren (Korrektur eines systematischen Fehlers).
3. Bestimmen Sie mit den aufgenommenen Messwerten die Position des Sensors.
4. Führen Sie eine Größtfehlerabschätzung durch.

Schlüsse ziehen und diskutieren

Aufgabe:

Geben Sie die Position des Beschleunigungssensors einschließlich Unsicherheit an. Bewerten Sie ihre Messung und geben Sie mögliche Verbesserungen an.

Geräte an der Station

Gerät	Ort
Smartphone Lenovo K6 (grau) mit Einstellungen „Experiment Plattenspieler“	2-9-4
Plattenspieler	3-22-0-B
Laptop	2-9-5
Wasserwaage	3-21-2