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Digitales Messen im Physikunterricht mit dem Raspberry Pi
Das hat das Hauptziel, Projekte und neue Lehr-Lern-Unterrichtseinheiten zu entwickeln, um physikalische Experimente mit Low-Cost-High-Tech-Messwerterfassungssystem auf der Basis vom Einplatinencomputer Raspberry Pi durchzuführen. Das Projekt wurde 2019 initiiert, und durch die Baden-Württemberg Stiftung für Gesamtlaufzeit von einem Jahr gefördert.
Weitere Ziele des Projektes sind:
- Einführung von Schülern in die grundlegenden Konzepte der Digitaltechnik und des digitalen Messens;
- Planung, Durchführung und Auswertung von Schülerexperimente in allen Bereichen der Physik, die über verschieden Fächern und Klassenstufen in einer Lernumgebung integriert sind. Dabei werden kreative elektronischen Schaltungen mit verschiedenen analogen und digitalen Sensoren sowie mit Komponenten zur Steuerung und Regelung (Analog-Digital-Wandler, Drehgeber, Leuchtdioden, usw.) realisiert.
- Einsatz des Software-Paketes PhyPiDAQ unter openSource-Lizenz phypidaq.github.io zur Messdatenerfassung, Visualisierung und Auswertung von Daten in verschiedenen Versuchen;
- Programmieren mit Python, denn viele Programme im openSource-Bereich liefern neben einer grafischen Oberflache auch eine pyhton – Schnittstelle;
Inhalte
Eine große Sammlung von Demonstrations- und Schülerversuchen auf der Basis vom Einplatinencomputer Rasperry Pi wurde entwickelt und durch neue und kreative Aufbauten stetig erweitert.
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Sammlung von Digitalsensoren, die zur Messung verschiedener physikalischen Größen eingesetzt wurden.
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 Sammlung von analogen Sensoren, die über den Analog-Digital Wandler ADS1115 zur Messung verschiedener physikalischen Größen eingesetzt wurden.
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Dank der zur Verfügung gestellten Software PhyPiDAQ können verschiedene Sensoren konfiguriert, Messdaten visualisiert und zur späteren genauen Auswertung auch digital protokolliert werden. Diese Software bietet viele Vorteile, wie eine einheitliche Schnittstelle für eine Vielzahl von Sensoren, verschiedene graphische Anzeigen, Datenaufzeichnung im CSV-Format, Kalibration von Sensoren, sowie die Anwendung von Formeln auf Messwerte an.
Eine Liste mit Beispielen von Schülerprojekten beinhaltet:
- Temperaturmessung mit dem 1-Wire Temperatursensor DS1820 und mit MAX31865, optimiert für Platinwiderstandstemperaturdetektoren (RTDs).
- Distanzmessung mit VL53L0X Time-of-Flight (ToF) Laser Abstandssensor
- Messung der magnetischen Flussdichte mit dem analogen und linearen Hallsensor TO-92 (±67mT) und mit dem digitalen MLX90393 Magnetomert
- Kennlinie einer Leuchtdiode LED
- Kennlinie eines Fotowiderstands LDR
- Kennlinie eines temperaturabhängigen Widerstands NTC
- Gleichzeitige Aufnahme der Kennlinien dreier Leuchtdioden LED zur Bestimmung der Planck'schen Konstante.
- Lade- und Entladekurve eines elektrolytischen Kondensators. Bestimmung der Zeitkonstante der RC-Schaltung. Reihe- und Parallelschaltung zweier Kondensatoren, bzw. zweier Widerstände.
- Federpendel, Messung der Kraft mit Kraftsensor; Messung der Elongation mit Abstandssensor.
Kurze Beschreibungen von Schülerversuchen mit Videos, Messdaten und Bilder findet man hier.....
Exemplarisch wird der Schaltungsaufbau auf den Breadboard, sowie die PhyPiDAQ-Konfiguration des Versuchs zu einem digitalen Thermometer mit einem NTC-Widerstand.
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