top of page

12 berühmte Erlebnisse zum Nachstellen mit Ihrem Smartphone

Wussten Sie, dass es mit einem einfachen Smartphone möglich ist, die Experimente großer Persönlichkeiten der Wissenschaft zu reproduzieren? In diesem Artikel laden wir Sie ein, 12 Experimente durchzuführen, die von renommierten Wissenschaftlern wie Pythagoras, Robert Boyle oder Albert Einstein entworfen wurden. Diese für alle zugänglichen Erlebnisse erfordern keine komplexe Ausrüstung. Sind Sie bereit, die Arbeit unserer Vorgänger zu entdecken und in faszinierende wissenschaftliche Entdeckungen einzutauchen? Bereiten Sie Ihre Smartphones vor!


Inhalt


Pythagoras und die Erfindung des Sortiments


Als Pythagoras eines Tages in der Nähe einer Schmiede ging, soll er von den harmonischen Klängen der Hämmer auf den Amboss getroffen worden sein. Fasziniert bemerkte er, dass die Tonhöhe der Töne von der Größe und dem Gewicht der Hämmer abhing. Anschließend führte er Experimente durch, bei denen er verschiedene Gewichte an Saiten hängte und anschlug. Dabei entdeckte er, dass bestimmte Gewichtsverhältnisse harmonische Klänge erzeugten. Pythagoras identifizierte drei grundlegende musikalische Intervalle: die Oktave (Verhältnis 1:2), die Quinte (Verhältnis 2:3) und die Quarte (Verhältnis 3:4). Diese Intervalle bildeten die Grundlage der diatonischen Tonleiter des Pythagoras.


Pythagoras, eines der größten Genies des antiken Griechenlands (570–495 v. Chr.), war Mathematiker, Philosoph, Musiker und Mystiker. Als Begründer der pythagoräischen Bewegung legte er Wert auf Mathematik, Musik und universelle Harmonie. Zu seinen Beiträgen gehört der berühmte Satz des Pythagoras, und sein Interesse an Musik führte ihn dazu, musikalische Intervalle und das Konzept der „Harmonie der Sphären“ zu erforschen.


Um eine Analyse ähnlich der von Pythagoras durchzuführen und Ihre Intuitionen zu finden, empfehlen wir Ihnen, den Klangsynthesizer der Anwendung zu verwenden und experimentell die Frequenzübereinstimmungen zu ermitteln, die Ihnen harmonisch erscheinen. Versuchen Sie beispielsweise, die „harmonischen“ Akkorde zu identifizieren, indem Sie eine Grundfrequenz von 600 Hertz wählen und dann einen zweiten Kanal hinzufügen. Sind es diejenigen, die Pythagoras gefunden hat? Klingen pythagoreische Intervalle anders als andere Akkorde? Analysieren Sie diese Akkorde mit dem Oszilloskop der App, um zu verstehen, warum sie für das Ohr angenehm sind. Um mehr über Schallwellen und harmonische Akkorde zu erfahren, können Sie unseren Artikel lesen: Können wir einen Ton sehen?



Galileo und das Pendel


Jeder kennt die Anekdote von Galileo und dem Fall der Gewichte von der Spitze des Turms von Pisa, einem schiefen Bauwerk, das Teil des architektonischen Ensembles des Doms von Pisa ist, einem Meisterwerk der romanischen Architektur, das zwischen dem 11. und 12. Jahrhundert erbaut wurde. Eine weitere, weniger bekannte Anekdote spielt sich im Inneren dieser Kathedrale ab. Als Medizinstudent an der Universität bemerkte Galileo, dass während eines Gottesdienstes eine Hängelampe schwankte. Fasziniert von der regelmäßigen Bewegung der Lampe, nutzte er seinen Puls, um die Zeit zwischen den Schwingungen zu messen und stellte fest, dass die Schwingungsperiode unabhängig von der Amplitude der Schwingung bemerkenswert konstant blieb. Diese Beobachtung markierte den Beginn seiner Experimente mit Pendeln und trug wesentlich zur klassischen Physik bei, einschließlich der präzisen Zeitmessung und der Entwicklung der Theorie der Mechanik.


Hundert Jahre später bestätigte Christian Huyghens Galileos Hypothese und modellierte das einfache Pendel, dessen Schwingungsdauer nur von der Länge des Drahtes und der Schwerkraft abhängt. Für kleine Schwingungen: T = 2π * (l/g) wobei T die Periode in Sekunden, l die Länge des Drahtes in Metern und g die Erdbeschleunigung in Metern pro Sekunde im Quadrat ist.


Sie können diesen Zusammenhang experimentell mit einem Smartphone zeigen. Befestigen Sie einen Haken an der Decke und befestigen Sie ein langes Seil mit einem Smartphone am Ende, gesichert in einer Plastiktüte, und schwingen Sie es dann. Mit Smartphone-Sensoren lässt sich die Periode auf vielfältige Weise messen, zum Beispiel durch Messung der Beschleunigung, der Schwankungen des Magnetfelds relativ zu einem Magneten am Boden oder der Helligkeit, indem man das Smartphone auf den Boden legt und am Ende des Pendels eine Kugel versteckt Der Detektor. Wenn Sie ein Newton-Pendel besitzen, überprüfen Sie die Regelmäßigkeit der Schwingungen, indem Sie mithilfe der Schallpegelmessung die Zeit zwischen den Stößen messen.

Um mehr zu erfahren, können Sie alle Erlebnisse, die wir zum Thema Pendel anbieten, mit dem Smartphone entdecken: Aktivitäten am Pendel.



Toricelli und der Wasserfluss


Evangelista Torricelli (1608–1647) war ein italienischer Mathematiker und Physiker, der vor allem für seine Erfindung des Quecksilberbarometers bekannt war. Torricelli, ein Schüler von Galileo Galilei, setzte seine Arbeit über atmosphärischen Druck und Flüssigkeiten fort und entwickelte grundlegende Prinzipien der Flüssigkeitsdynamik. Damals verstanden die Wissenschaftler nicht, warum Wasserpumpen das Wasser nicht über 10 Meter hinaus heben konnten. Torricelli stellte die Hypothese auf, dass der auf das Wasser im Tank ausgeübte Luftdruck ein Gleichgewicht in der Wassersäule herstellt . Um diese Idee zu testen, füllte er ein Rohr mit Quecksilber, das dichter als Wasser war, und stellte es in ein Quecksilberbecken. Es verblieb eine 76 cm hohe Quecksilbersäule, die oben ein Vakuum erzeugte und unter Berücksichtigung der Quecksilberdichte (13,6) einer 10 m hohen Wassersäule entsprach. Dieses Experiment bewies die Existenz von Atmosphärendruck und Vakuum und legte den Grundstein für die moderne Meteorologie und Flüssigkeitsphysik.


Ein weiterer Beitrag des Wissenschaftlers ist das Gesetz von Torricelli, das erklärt, dass die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit durch eine Öffnung unter einem Reservoir proportional zur Quadratwurzel der Höhe der Flüssigkeit über der Öffnung ist. Das Gesetz von Torricelli besagt, dass die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses durch eine Öffnung unter einem Reservoir proportional zur Quadratwurzel der Höhe der Flüssigkeit über der Öffnung ist. Formal ist die Geschwindigkeit v ist gegeben durch v= √( 2gh), wobei g ist die Erdbeschleunigung und h ist die Höhe der Flüssigkeitssäule. Dieses Gesetz ergibt sich aus den Prinzipien der Energieerhaltung und der Strömungsdynamik und veranschaulicht, wie Druck und Höhe die Durchflussrate beeinflussen.


Um dieses Experiment zu reproduzieren, können wir das folgende einfache Experiment durchführen: Wählen Sie eine Wasserflasche und bohren Sie ein Loch in der Nähe ihres Bodens. Anschließend filmen Sie die Entleerung der Flasche mit dem Smartphone. Dieses Video kann mithilfe einer kinematischen Analyse analysiert werden, um die Beziehung zwischen Wasserhöhe und Fließgeschwindigkeit zu beobachten.



Newton und Gravitation


Isaac Newtons Entdeckung der Gravitation ist eine der berühmtesten Legenden in der Geschichte der Wissenschaft und wird oft mit der Anekdote über den vom Baum fallenden Apfel ausgeschmückt. Obwohl diese Geschichte beliebt ist, ist die wahre Art und Weise, wie Newton seine Theorie der universellen Gravitation formulierte, komplexer und basiert auf jahrelanger sorgfältiger Forschung und Beobachtung. Bereits Mitte der 1660er Jahre beschäftigte sich Newton intensiv mit dem Studium der Physik und Mathematik an der Universität Cambridge. Als die Universität 1665 aufgrund eines Pestausbruchs geschlossen werden musste, kehrte Newton nach Woolsthorpe, seinem Geburtsort, zurück. In dieser Zeit des erzwungenen Ruhestands, bekannt als sein „annus mirabilis“ oder wundersames Jahr, begann er, seine revolutionären Ideen in der Physik zu entwickeln.


Die berühmte Apfelgeschichte legt nahe, dass Newton zu seiner Gravitationstheorie inspiriert wurde, nachdem er einen Apfel vom Baum fallen sah. Nach Berichten von William Stukeley, Newtons Freund, und John Conduitt, seinem Schwiegersohn, erzählte Newton ihnen, dass der Apfelvorfall ihn über die Natur der Kraft nachdenken ließ, die den Apfel senkrecht auf den Boden fallen ließ. Newtons eigentlicher Durchbruch bestand jedoch nicht einfach darin, zu erkennen, dass Objekte auf die Erde fallen, sondern vielmehr darin, diese Anziehung zu verallgemeinern, um zu verstehen, dass alle Körper im Universum sich gegenseitig anziehen. Newton begann zu glauben, dass dieselbe Kraft, die den Apfel fallen ließ, auch dafür verantwortlich sei, die Planeten auf einer Umlaufbahn um die Sonne zu halten. Er formulierte sein Gesetz der universellen Gravitation, das besagt, dass jedes Materieteilchen im Universum jedes andere Teilchen mit einer Kraft anzieht, die direkt proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihren Zentren ist. Dieses Werk wurde 1687 in seinem Hauptwerk, den „Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica“ (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie), veröffentlicht, das die Grundlagen der klassischen Mechanik legte.


Um die Schwerkraft besser zu verstehen, können Sie Ihr Smartphone anstelle des Apfels fallen lassen. Ein solches Experiment wird es uns ermöglichen, schnell eine Schätzung von g vorzunehmen durch Messung der Falldauer aus einer bestimmten Höhe. Natürlich müssen Sie darauf achten, dass das Smartphone auf eine weiche Unterlage fällt und die Höhe und Zeit des Sturzes genau messen. Befolgen Sie das folgende Aktivitätsprotokoll, das das Verfahren beschreibt: Messung von g .



Leibniz und die Energieerhaltung


Gottfried Wilhelm Leibniz (1646–1716) war ein deutscher Universalgelehrter, der für seine bedeutenden Beiträge zu Philosophie, Mathematik, Logik, Theologie und Naturwissenschaften bekannt war. Leibniz wurde in Leipzig in eine Juristenfamilie hineingeboren und zeigte schon in jungen Jahren eine bemerkenswerte Intelligenz und eine unstillbare Neugier für verschiedene Wissensgebiete. Als Polyglotte beherrschte er mehrere Sprachen, darunter Latein, Griechisch, Französisch und Deutsch, und verfügte über einige Kenntnisse in Englisch, Italienisch und Niederländisch. Dieses Interesse an Sprachen veranlasste ihn, Ideen zur Verbesserung der Effizienz der menschlichen Kommunikation vorzuschlagen, insbesondere durch die Arbeit an der Entwicklung einer universellen Sprache oder eines „universellen Merkmals“, das auf einem logischen Symbolsystem basiert, das die Darstellung von Konzepten ermöglicht. Er glaubte, dass diese universelle Sprache nicht nur die Kommunikation zwischen verschiedenen Völkern erleichtern, sondern durch die Klärung von Konzepten auch zur Lösung philosophischer oder wissenschaftlicher Streitigkeiten beitragen könne. Trotz seiner Bemühungen und umfangreichen Recherchen gelang es ihm nie, diese Idee umzusetzen.


Leibniz war von der kartesischen Ansicht, dass der Impuls (das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit) bei Kollisionen erhalten bleibt, nicht überzeugt. Er stellte fest, dass diese Theorie nicht alle experimentellen Beobachtungen berücksichtigte, insbesondere die von elastischen Kollisionen, bei denen die Summe der Produkte aus Masse und Geschwindigkeit zu variieren schien. Um diese Inkonsistenz aufzulösen, schlug Leibniz das Konzept der „vis viva“ (lebendige Kraft) vor, das er als Produkt aus Masse und Quadrat der Geschwindigkeit ( mv²) definierte ). Er zeigte, dass in einem isolierten System die Summe dieser vis viva erhalten bleibt, auch wenn dies beim Impuls nicht unbedingt der Fall ist. Diese innovative Idee legte den Grundstein für unser modernes Verständnis der kinetischen Energie und verdeutlichte die Bedeutung der Energieeinsparung bei mechanischen Phänomenen.


Mit dem Smartphone lassen sich viele Experimente durchführen, um die Energieeinsparung bei Stößen zu veranschaulichen. Um diese Studie optimal durchzuführen, verwenden Sie das Kinematikmodul der FizziQ-Anwendung. Filmen Sie mit einem Smartphone einen elastischen Stoß und dann einen unelastischen Stoß und studieren Sie die Gesetze der Impuls- und Energieerhaltung. Auf der Seite fizziq.org finden Sie ein Video, mit dem Sie präzise Messungen durchführen können: Kollision.



Boyle und Schallwellen


Robert Boyle (1627–1691), irischer Chemiker und Physiker, gilt als einer der Begründer der modernen Chemie. Er ist vor allem für das Boylesche Gesetz bekannt, das die umgekehrte Beziehung zwischen Druck und Volumen eines Gases bei konstanter Temperatur beschreibt. Seine Experimente mit einer Vakuumpumpe zeigten die Bedeutung des Atmosphärendrucks und legten den Grundstein für die physikalische Chemie. Bei einem seiner berühmtesten Experimente wurde eine Schildkröte in eine Vakuumkammer gebracht, um die Auswirkungen des Vakuums auf einen lebenden Organismus zu beobachten. Boyle und sein Assistent Robert Hooke stellten fest, dass die Schildkröte zunehmend inaktiv wurde, je mehr sie die Luft aus der Kammer entfernten. Sie führten schnell wieder Luft ein, bevor die Schildkröte bleibende Schäden davontrug, und demonstrierten damit eindrucksvoll die Bedeutung der Luft für das Überleben von Lebewesen.


Basierend auf dieser Beobachtung führte Boyle zahlreiche Experimente durch, insbesondere zur Schallausbreitung. Er zeigte, dass sich Schall im Vakuum nicht ausbreiten kann, indem er eine klingende Uhr in einer Glasglocke platzierte, die an eine Vakuumpumpe angeschlossen war. Als er nach und nach die Luft aus der Glocke entfernte, beobachtete er, dass der Ton der Uhr immer schwächer wurde, bis er, als das Vakuum fast vollständig war, unhörbar wurde. Dieses Experiment bewies, dass Schall zur Ausbreitung ein materielles Medium wie Luft benötigt. Es bestätigte, dass Vakuum ein wirksamer akustischer Isolator ist und veranschaulichte die Prinzipien der Schallwellenübertragung.


Sie können ein solches Experiment nachahmen, indem Sie ein Glas verwenden, in dem Sie den Atmosphärendruck senken können, wie es zum Konservieren von Lebensmitteln verwendet wird, oder noch besser, eine Labor-Vakuumglocke. Legen Sie ein Smartphone in das Glas, das einen Ton konstanter Intensität aussendet. Dieses Smartphone dient auch zur Messung des Luftdrucks (Apple-Smartphones verfügen über Luftdrucksensoren). Messen Sie außerhalb der Glocke die Schallintensität mit einem anderen Smartphone. Messen Sie den Abfall der Schallintensität, indem Sie den Druck in der Glocke allmählich verringern. Damit stellen Sie sicher, dass die Schallintensität logarithmisch abnimmt, wenn der Druck in der Glocke abnimmt.



Einstein und das Gedankenexperiment mit dem Aufzug


Ein Gedankenexperiment ist ein hypothetisches Szenario, mit dem die Konsequenzen eines Prinzips oder einer Theorie untersucht werden, ohne dass tatsächlich physikalische Experimente durchgeführt werden. Es geht darum, über ein Problem nachzudenken, indem man sich nur die Vorstellungskraft und das Wissen über physikalische Gesetze zunutze macht, ohne dass ein empirischer Beweis oder eine praktische Umsetzung erforderlich ist. Gedankenexperimente werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, darunter Physik, Philosophie, Mathematik und Ethik, und dienen als leistungsstarke Werkzeuge zur Konzeptualisierung von Ideen, zur Infragestellung bestehender Vorstellungen und zur Anregung intellektueller Forschung. Albert Einstein, einer der prominentesten Anwender von Gedankenexperimenten, nutzte sie ausgiebig, um seine revolutionären Theorien in der Physik zu entwickeln, darunter die Theorien der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie. Diese Experimente ermöglichten es ihm, komplexe Probleme und Paradoxien in der Physik zu visualisieren, die mit der Technologie seiner Zeit nur schwer oder gar nicht zu testen waren.


Eines der berühmtesten Gedankenexperimente Einsteins betrifft die Allgemeine Relativitätstheorie: das Aufzugsexperiment. Einstein stellte sich vor, dass er sich in einem geschlossenen Aufzug im Weltraum befand und nach oben beschleunigte. Eine im Aufzug fallengelassene Kugel scheint ähnlich der Anziehungskraft der Erde auf den Boden zu fallen. Im Gegensatz dazu erfährt ein stationärer Aufzug in der Nähe eines Planeten aufgrund der Schwerkraft einen ähnlichen Effekt. Der Kern dieses Experiments besteht darin, dass man innerhalb der Grenzen des Aufzugs nicht zwischen den Auswirkungen der Schwerkraft und der reinen Beschleunigung unterscheiden kann.


Um dieses Experiment durchzuführen, legen Sie ein Smartphone auf einen Tisch und öffnen Sie das Messgerät für die absolute Beschleunigung in der FizziQ-App. Es erscheint der Wert 9,80 m/s², der der Erdbeschleunigung entspricht. Legen Sie dann eine Matratze auf den Boden oder nutzen Sie ein weiches Bett, drücken Sie die Aufnahmetaste und werfen Sie das Smartphone dann so, dass es eine Parabel beschreibt und auf die Matratze fällt. Nachdem Sie die Aufzeichnung gestoppt und die Daten in das Experimentierbuch eingetragen haben, werden Sie feststellen, dass während der gesamten Zeit in der Luft die gemessene Beschleunigung Null ist. Obwohl sich das Smartphone im freien Fall befindet und daher seine vertikale Geschwindigkeit für einen auf der Erde platzierten Beobachter variiert, nimmt das Smartphone selbst keine Kraft wahr, es ist schwerelos.


Dieses Experiment ist eine exakte Nachbildung von Einsteins Aufzug-Gedankenexperiment. Das Smartphone entspricht einem Aufzug, der mit der gleichen Beschleunigung wie die Schwerkraft herabsinkt. Im Inneren des Smartphones kann der Beschleunigungsmesser nicht erkennen, ob es sich im freien Fall befindet oder ob die Schwerkraft Null ist. Für ihn wie für die Person im Aufzug ist die Schwerkraft gleichbedeutend mit Beschleunigung.


Um mehr zu erfahren, können Sie unsere beiden Artikel zu diesem Thema lesen: einen Artikel über die Schwerkraft und einen Artikel über die Funktionsweise eines Beschleunigungsmessers .



Doppler und der Doppler-Effekt


Im Jahr 1842 stellte Christian Doppler, ein österreichischer Physiker, eine neue Theorie über die Verschiebung der Frequenz einer Welle vor, wenn sich die Quelle relativ zum Beobachter bewegt. Seine Theorie wurde von der wissenschaftlichen Gemeinschaft mit großer Skepsis aufgenommen, vor allem weil die damaligen Reisemöglichkeiten es nicht ermöglichten, klar zu zeigen, was die Theorie vorhersagte. Der unwiderlegbare Beweis für Dopplers Theorie lieferte jedoch 1845 der Meteorologe Buys-Ballot. Er organisiert ein spektakuläres Experiment, indem er Musiker auf den Bahnsteig eines mit 70 km/h fahrenden Zuges setzt und sie einen konstanten Ton spielen lässt. Die Menschen entlang der Strecke konnten die Frequenzänderung der vom Orchester erzeugten Klänge bemerken, als der Zug an ihnen vorbeifuhr, was bestätigte, dass der Doppler-Effekt keine Illusion war.


Die Frequenz einer Welle, egal ob Schall oder Licht, wird durch die Bewegung der Quelle relativ zum Beobachter beeinflusst. Diese Frequenzverschiebung ist direkt proportional zur Geschwindigkeit, gemäß der Gleichung: Δf = f * Vmobile / Vonde, wobei Vmobile ist die Geschwindigkeit des Mobiltelefons und von Vonde ist die Geschwindigkeit der Welle.


Heutzutage wird der Doppler-Effekt in vielen Technologien genutzt, beispielsweise im Wetterradar, in der medizinischen Bildgebung sowie für Kontroll- und Sicherheitszwecke. Es hat sich als wertvolles Werkzeug für Astronomen erwiesen, das es ihnen ermöglicht, Himmelsbewegungen zu verstehen und neue Objekte wie Exoplaneten zu entdecken. Von den bescheidenen Anfängen in Dopplers Labor bis hin zu modernen Observatorien, die in die Tiefen des Weltraums blicken, hat der Doppler-Effekt unser Verständnis des Universums geprägt und uns Einblicke in die Bewegung und Zusammensetzung von Himmelskörpern verschafft.


Viele Experimente können mit einem Smartphone durchgeführt werden, um das Doppler-Gesetz zu demonstrieren und experimentell zu überprüfen. Dazu können wir den Soundsynthesizer von Smartphones nutzen, um Töne zu erzeugen und die Frequenz der Töne über das Mikrofon zu messen. Diese Experimente ermöglichen es, die beobachtete Frequenzverschiebung, wenn sich die Schallquelle relativ zum Beobachter bewegt, konkret nachzuweisen. Unter diesem Link finden Sie 5 Experimente zu diesem Thema: https://www.fizziq.org/post/experiment-doppler-effect



Nollet und die Messung der Schallgeschwindigkeit

Jean-Antoine Nollet (1700–1770), auch bekannt als Abbé Nollet, war ein französischer Physiker und Priester, der für seine Beiträge zur Erforschung von Elektrizität und Akustik bekannt war. Nollet wurde in Pimprez geboren und begann seine Karriere in der Theologie, bevor er sich den Naturwissenschaften zuwandte. Er wurde Mitglied der Akademie der Wissenschaften und lehrte Experimentalphysik am Collège de Navarre in Paris. Nollet ist vor allem für seine Arbeiten zur Elektrizität bekannt. Er war einer der ersten, der die Auswirkungen statischer Elektrizität demonstrierte und elektrische Experimente in Europa populär machte. Er erfand das Elektrometer, ein Gerät zur Messung elektrischer Ladung, und führte spektakuläre öffentliche Demonstrationen durch, die die Fantasie seiner Zeit anregten.


Im Jahr 1738 beauftragte die Akademie der Wissenschaften Nollet mit der genauen Bestimmung der Schallgeschwindigkeit. Nollet nutzte die Topographie des Pariser Beckens und platzierte eine Kanone auf dem Montlhéry-Turm. Beobachter waren auf dem 28 Kilometer entfernten Montmartre-Hügel stationiert. Nachts maßen sie die Zeit zwischen dem Anblick des Lichtblitzes und dem Hören des „KNALLS“ eines Kanonenschusses. Da das Licht des Schusses fast augenblicklich wahrgenommen wurde, maßen sie dann die Zeit, die nötig war, um das Geräusch zu hören. Nollet berechnete die Schallgeschwindigkeit anhand der Entfernung und der gemessenen Zeit und meldete der Akademie der Wissenschaften eine Geschwindigkeit von 337,2 Metern pro Sekunde. Dieser Wert, der modernen Messungen sehr nahe kommt (ca. 343 m/s bei 20 °C), demonstriert die Präzision und Genauigkeit seiner wissenschaftlichen Methode. Sein Experiment markierte einen Wendepunkt in der Erforschung von Schallwellen und bleibt ein wegweisendes Beispiel für die praktische Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien.


Mit zwei Smartphones, die mit der FizziQ-Anwendung ausgestattet sind, lässt sich dieses Erlebnis problemlos im Unterricht oder zu Hause reproduzieren. Nutzen Sie dazu die akustischen Stoppuhren der Anwendung, mit denen Sie die Zeit messen können, die zwischen zwei Schallereignissen vergeht. Legen Sie die beiden Smartphones nebeneinander und starten Sie die Timer, indem Sie in die Hände klatschen. Bewegen Sie dann eines der beiden Telefone mindestens 5 Meter entfernt und klatschen Sie in der Nähe des anderen Telefons erneut in die Hände. Die Timer stoppen und die Schallgeschwindigkeit kann berechnet werden, indem die Entfernung durch die Zeitdifferenz zwischen den beiden Timern geteilt wird. Um dieses Experiment durchzuführen, folgen Sie dem folgenden Link: Schallgeschwindigkeit messen



Jung- und Farbtheorie


Thomas Young, britischer Physiker und Universalgelehrter, ist berühmt für seine bahnbrechenden Arbeiten zur Farbtheorie und zum trichromatischen Sehen. Im frühen 19. Jahrhundert interessierte sich Young für die Wahrnehmung von Farben durch das menschliche Auge. Im Jahr 1801 schlug er vor, dass das Farbsehen auf drei Arten von Rezeptoren im Auge beruht, die jeweils auf eine der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau reagieren. Um seine Theorie zu testen, verwendete Young farbige Filter und Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge. Er zeigte, dass die Kombination dieser drei Grundfarben alle anderen für das menschliche Auge wahrnehmbaren Farben reproduzieren kann. Durch die Kombination von rotem und grünem Licht konnte er beispielsweise Gelb erzeugen; durch die Kombination von Blau und Rot erhielt er Magenta; und durch die Kombination der drei erhielt er Weiß.


Es dauerte mehr als 150 Jahre, bis die Existenz von Zellen nachgewiesen wurde, die für drei verschiedene Wellenlängenbereiche empfindlich sind (am empfindlichsten für Grün-Gelb, Grün-Blau und Blau – nicht für Rot, Grün und Blau). Diese Zellen wurden 1956 von Gunnar Svaetichin identifiziert. 1983 wurde diese Entdeckung in einem von Herbert Dartnall, James Bowmaker und John Mollon durchgeführten Experiment an menschlichen Netzhäuten validiert, die mikrospektrophotometrische Messwerte der einzelnen Zapfen menschlicher Augen erhielten. Diese Entdeckung hatte einen tiefgreifenden Einfluss auf die Wissenschaft der Optik und das Verständnis der visuellen Wahrnehmung und war auch von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung moderner Technologien wie Fernseh- und Computerbildschirme, die rote Pixel, Grün- und Blautöne verwenden, um eine vollständige Farbpalette anzuzeigen .


Um Thomas Youngs Experiment mit einem Smartphone experimentell zu reproduzieren, befolgen Sie das folgende Experiment: Zielen Sie mit dem Farbinstrument in der FizziQ-App auf eine Farbe und fügen Sie diese Messung dann dem Experimentiernotizbuch hinzu. Diese Messung gibt Ihnen die Menge der Primärfarben Rot, Grün und Blau an, aus denen diese Farbe besteht. Mithilfe des Farbsynthesizers in den Werkzeugen und der durch das Spektrum ermittelten Mengen können Sie diese Farbe dann rekonstruieren. Unabhängig von der Farbe kann sie aus den drei Hauptfarben neu zusammengestellt werden. Die drei Grundfarben reichen daher, gemischt, aus, um jede Farbe zu erzeugen, die wir wahrnehmen.



Delambre und die Messung des Meridians


Im Jahr 1790 beschloss die französische Nationalversammlung, ein einheitliches Messsystem einzurichten, das die Erde als Referenz nutzte. Der Meter wird dann als der zehnmillionste Teil eines Viertels des Erdmeridians definiert. Pierre Méchain und Jean-Baptiste Delambre, Astronomen und Mathematiker, waren 1792 für die Messung dieses Meridians verantwortlich, um eine möglichst genaue Schätzung der Entfernung zwischen Dünkirchen und Barcelona zu erhalten.


Für die beiden Wissenschaftler beginnt ein siebenjähriges Abenteuer. Die Zeit des revolutionären Terrors machte das Reisen gefährlich, insbesondere mit einem ungewöhnlichen Messgerät, dem sich wiederholenden Kreis. Delambre musste sich oft mit misstrauischen und unkooperativen Nationalgardisten auseinandersetzen, was ihn ein ganzes Jahr lang daran hinderte, zu arbeiten. Méchain hatte zunächst mehr Glück, doch seine Bemühungen wurden 1793 kompliziert, als Spanien Frankreich den Krieg erklärte. Diese angespannte politische Situation erschwerte seine Arbeit und Reisen. Darüber hinaus entdeckte Méchain bei seinen Messungen eine Anomalie von einigen Bogensekunden, die ihn aus Angst vor Diskreditierung dazu veranlasste, seine Ergebnisse zu verbergen. Diese logistischen, politischen und persönlichen Herausforderungen erschwerten die Mission, den Meter als den zehnmillionsten Teil eines Viertels des Erdmeridians zu definieren, erheblich. Im Jahr 1799 bestimmten sie schließlich die Länge des Meters auf 0,513074 Toise. Als Méchain mit einer Anomalie bei seinen Messungen konfrontiert wurde, beschloss er, diese zu verbergen. Ihre Arbeit legt den Grundstein für die Definition des modernen Messgeräts.


Die Triangulation ist das grundlegende mathematische Werkzeug, das die beiden Wissenschaftler verwenden. Dabei handelt es sich um eine geometrische Methode zur Bestimmung der genauen Position eines Punktes durch Winkelmessung von zwei festen, bekannten Referenzpunkten. Dieser Prozess beruht auf der Erstellung von Dreiecken, deren Abstände zwischen Punkten mithilfe der Gesetze der Trigonometrie berechnet werden können. In der Praxis messen wir zunächst eine Grundlinie zwischen zwei festen Punkten und messen dann die Winkel zwischen dieser Grundlinie und einem dritten sichtbaren Punkt. Aus diesen Messungen kann die Entfernung zum dritten Punkt berechnet werden. Durch die Wiederholung dieses Vorgangs entsteht eine Reihe von Dreiecken, sodass große Gebiete mit großer Präzision kartiert werden können.


Eine Triangulationsübung kann einfach mit dem Theodoliten in der FizziQ-Anwendung durchgeführt werden. Mit dieser Übung können Sie beispielsweise Entfernungen berechnen, die zu groß sind oder auf denen sich Hindernisse befinden, die eine direkte Messung unmöglich machen. Weitere Informationen zur Triangulation mit FizziQ finden Sie im Video: Triangulation mit FizziQ .



Von Helmotz und der Resonator


Hermann von Helmholtz ist ein deutscher Wissenschaftler, der für seine Beiträge auf vielen Gebieten bekannt ist, darunter Physik, Physiologie und Psychologie. Eine besonders interessante Anekdote über Helmholtz bezieht sich auf seine Erfindung des Helmholtz-Resonators, der entwickelt wurde, um die unterschiedlichen Frequenzen der von verschiedenen Musikinstrumenten erzeugten Klänge zu identifizieren.


Um zu verstehen, wie Menschen Geräusche wahrnehmen, entwarf Helmholtz eine Reihe unterschiedlich großer Kugeln mit schmalen Öffnungen. Diese Kugeln, sogenannte Helmholtz-Resonatoren, sollten in Resonanz mit bestimmten Frequenzen schwingen. Helmholtz nutzte diese Resonatoren, indem er sie in der Nähe seines Ohrs platzierte, um die von verschiedenen Instrumenten erzeugten Klänge zu hören. Jeder Resonator wurde so kalibriert, dass er eine bestimmte Frequenz verstärkt, sodass Helmholtz das Klangspektrum der Musik sehr genau analysieren konnte.


Mit einem Reagenzglas können Sie ganz einfach einen Helmholtz-Resonator bauen. Durch Blasen oberhalb des Rohres wird ein Schall abgestrahlt, dessen Frequenz spezifisch für die Geometrie des Rohres ist. Für ein geschlossenes Rohr beträgt die Grundresonanzfrequenz: f₀ = c/(4.L+1.6.D), wobei L die Länge des Rohrs und D der Durchmesser des Rohrs ist . Dank des Frequenzmessers in der FizziQ-Anwendung können Sie überprüfen, ob die Frequenz des emittierten Tons mit der Berechnung der Resonanzfrequenz der Röhre übereinstimmt.


Ein weiteres unterhaltsames Experiment besteht darin, die Häufigkeit des „Knalls“ zu messen, der beim Öffnen einer Flasche Wein entsteht. Diese Frequenz hängt vom Hohlraum zwischen der Flüssigkeit und dem Stopfen ab. Auch die theoretische Schallfrequenz kann mit entsprechenden Werkzeugen berechnet und überprüft werden. Versuchen Sie es mit dem folgenden Video: Eine Flasche Wein öffnen .


Abschluss


Die Entdeckung von Wissenschaftlern und die von ihnen durchgeführten Experimente erwecken die Wissenschaft und ihren Fortschritt zum Leben. Dank Smartphone und Tablet können Studierende schnell Experimente durchführen und so in die Rolle großer Wissenschaftler und deren Probleme schlüpfen. Diese Aktivitäten bereichern nicht nur das wissenschaftliche Verständnis der Schüler, sondern machen das Lernen auch interaktiv und ansprechend. Um mehr über den Einsatz von Smartphones oder Tablets im Naturwissenschaftsunterricht zu erfahren, können Sie unseren Artikel zum Thema lesen: FizziQ im Unterricht nutzen .

0 Ansichten0 Kommentare

Aktuelle Beiträge

Alle ansehen

Comments


bottom of page