Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen
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Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt Wien 24.2.2014 Gliederung 1. Über Videoanalyse 2. Besondere Funktionen von measure dynamics 3. Didaktische Möglichkeiten mit measure dynamics 4. Weitere Bespiele 5. Unterrichtskonzept mit Forschungsergebnissen 6. Passende Lehrerhandbücher Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1. Über Videoanalyse Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt Wien 24.2.2014 1.1 Was ist Videoanalyse? • Digitale Videos von Bewegungen heute problemlos möglich. • Videos enthalten Orts- und Zeitinformationen (Einzelbilder in festen Zeitabständen). • Ist eine Referenzlänge bekannt, kann jeder Ort berechnet werden. • Früher: Folie auf Fernsehbildschirm gelegt und mit Lineal abgemessen. • Heute Computerprogramm, das die Berechnung und Darstellung übernimmt (sehr unterschiedliche). • Ortsmessung durch Mausklick oder durch intelligentes Programm. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.1 Was ist Videoanalyse? • Markieren des Ortes: Bahnkurve: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.1 Was ist Videoanalyse? • Darstellung der Zentripetalbeschleunigung durch Einlenden von Pfeilen: Bild anklicken! Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.1 Was ist Videoanalyse? • Videoanalyse von Bewegungen in Lehrplänen vorgesehen (Bayern, Brandenburg, Hessen, Schleswig-Holstein) • Videoanalyse in vielen Schulbüchern beschrieben • Berührungsfreies Messwerterfassungssystem besonders für den Mechanikunterricht. • Verschiedenste Programme verfügbar, die noch sehr zu wünschen übrig lassen. • Wir haben „measure dynamics“ mit einer Vielzahl neuer Möglichkeiten entwickelt. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.2 Produktnamen für Videoanalysesysteme – Einfache, billige Klick-Programme, bei denen die Auswertung nur manuell möglich ist: • Deutsch: DiVa, Gallileo, David, ViMPS, Easyvid, VideoAnalyzer, DOTSPOT, Coach5, EVA • Englisch: VideoPoint, World-in-Motion, VidAna – Programme, die eine automatische Auswertung haben: • Viana (funktioniert schlecht, da nur Farbanalyse) • Coach 6 (auch nur Farbanalyse) • AVA (Erprobungszeitraum abgelaufen) • measure dynamics (sehr sehr gut, mit vielfältigen Darstellungen) • Tracker (Freeware, mit Modellbildung, ohne Einblendungen) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.2 Welche Programme? Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.3 Woher bekannt? Informationsquellen für Videoanalyse Gruppe Quelle Studium Nutzer, N=33 Nicht-Nutzer, N=62 39 % 21 % Referendariat 48 % * 24 % etwas gelesen 27 % 26 % von Kollegen gehört 33 % 31 % 45 % *** 11 % aus Fortbildungen • Entscheidend für die Nutzung: Referendariat und Fortbildungen Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2. Besondere Funktionen von „measure dynamics“ (und EVA) Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt Wien 24.2.2014 2.1 Grundlegendes Neue Möglichkeiten: • Bearbeitung der Tabellendaten im Programm (weitere Berechnungen) • Speichern aller Einstellungen in Projekten (*.prj) • Export aller Tabellen, Bilder und des bearbeiteten Videos → Verwendung des Videos ohne die Software • Volle Kompatibilität zwischen measure dynamics und EVA (dateigleich) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.2 Automatische Analyse • Automatische Analyse sonst nur bei AVA, Viana, Coach6 und Tracker; oft mit Problemen verbunden • mD erkennt Farbe, Form und Größe → Objekt darf rotieren und Farbe ändern • Besonders bei langen Videos erhebliche Zeitersparnis • Beispiel: Maxwell-Verteilung mit einem Luftkissentisch (kleiner oder großer) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.2 Automatische Analyse • Pucks auf Luftkissentischen • Video mit über 2.000 Frames • Fehlerfreie Analyse in 3 min • Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.2 Automatische Analyse • Pucks auf Luftkissentisch • Video mit über 2000 Frames • Fehlerfreie Analyse in 3 min • Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.3 Diagramme in Echtzeit • Erzeugung von Diagrammen synchron zum ablaufenden Video • Räumliche Kontiguität von Diagramm und Video/Experiment • Beispiel: Federpendel Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.4 Analyse mehrere Punkte/Objekte • Auswertung der Bewegungen von bis zu zwölf Objekten bzw. Objektpunkten Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.5 Dynamisch ikonische Repräsentation • Einblendung von Säulen und Pfeilen für die physikalischen Größen, angeheftet oder ortsfest. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.5 Dynamisch ikonische Repräsentation Ortsfeste Vektoren: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.6 Serienbilder • Für Schülerarbeitsblätter zum Ausmessen • Schmale Streifen als t-x-Diagramm Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.6 Serienbilder • Beispiel t-v-Diagramm: Serienbild ortsfester Geschwindigkeitspfeile bei einer Schwingung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.7 Stroboskopbilder • Einfaches Erstellen von Stroboskopbildern aus jedem beliebigen Video Normales Stroboskopbild Thomas Wilhelm Stroboskopbild abgeblendet mit weiteren Einblendung Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.7 Stroboskopbilder • Verschiedene Darstellungsmöglichkeiten Monochromatischer Hintergrund Thomas Wilhelm Farbige Blitzlichter Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.8 Weitere Funktionen • Zählen in Bildern: Beispiel: Die Anzahl der Nebelspuren von Radonzerfällen ergibt Aktivitätskurve und Halbwertszeit. • Messen in Bildern: Aus der Länge von Nebelspuren von Teilchen (Reichweite) berechnet man deren kinetische Energie. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2.8 Weitere Funktionen • Winkelmessung im Foto hier: Interferenz am Gitter und Nebel T. Wilhelm: Laserstrahlen mit der Nebelmaschine sichtbar machen - In: PdN-PhiS 59, Nr. 8, 2010, S. 14 - 16 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 3. Didaktische Möglichkeiten mit „measure dynamics“ Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt Wien 24.2.2014 3.1 Studien zu Fehlvorstellungen • Studie mit Gymnasiasten und Studie mit Erstsemestern: Große Probleme mit der Richtung der Beschleunigung (mehr als in USA) • Studie mit Gymnasiallehrern: Kein Bewusstsein für dieses Problem; Lehrer meinen, Schüler könnten entsprechende Aufgaben Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 3.1 Studien zu Fehlvorstellungen • Beispiel: – Nur 12 % der Schüler (nach Unterricht) und 19 % der Erstsemester geben bei Kurvenfahrten mit konstantem Tempo die Beschleunigung radial nach innen an. – Nur von 4 % der Lehrer denken dies. – 49 % meinen, dass 50 bis 85 % der Schüler richtig. • Lehrer halten das Auftreten von Schülervorstellungen für seltener als es in Tests der Fall ist. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 3.2 Einführung der kinematischen Größen anhand 2-dimensionaler Bewegungen • Sinnvoll: Geschwindigkeit und Beschleunigung an 2-dim. Bewegungen einführen • „measure dynamics“ erleichtert die Analyse von realen zweidimensionalen Bewegungen • Beispiel: Darstellung der Bahnkurve durch Stempeln der Ortsmarken (oder mit Stroposkopbilder) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 3.2 Einführung der kinematischen Größen anhand 2-dimensionaler Bewegungen • Erarbeitung der Beschleunigung über die Geschwindigkeitsänderung – Beschleunigung zeigt immer in Richtung der Geschwindigkeitsänderung – Vektorieller Charakter wird besser verstanden – Fehlvorstellungen werden vermieden Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 3.3 Pro und Contra • Vorteile: – Visualisierung von Größen, die nicht mit dem Auge erfasst werden können. – Dynamische Darstellung von Vektorpfeilen – Einfache Erstellung von Stroboskopbildern – Interessante Alltagsbewegungen sind analysierbar. – Messungen am eigenen Körper – Berührungsfreies Messen ist möglich. – Zweidimensionale Bewegungen sind messbar. – Schüler können selbsttätig analysieren. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 3.3 Pro und Contra • Probleme: – Es sind gute Videos nötig (verzerrungsfrei, hohe Framerate). – Es gibt keinen Standard bzgl. Videoformaten und Codecs. – Hohe Messungenauigkeit (Beschleunigung!) – Fast nur in der Mechanik einsetzbar. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 3.3 Pro und Contra • Einsatzmöglichkeiten mit measure dynamics: – Manuelle oder automatische Analyse – Darstellung fertig analysierter Videos – Export von Videos als avi-Datei mit allen Darstellungen (Lehrvideos) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4. Beispiele mit „measure dynamics“ Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt Wien 24.2.2014 4.1 Bierschaumzerfall • Bierschaumzerfall: häufig als Analogversuch zum radioaktiven Zerfall! Korrekt? • Schaumbildung abhängig von Temperatur des Bieres, der Temperatur des Gefäßes, dem Alter des Bieres, der Wartezeit nach dem Öffnen der Flasche, dem Luftdruck und vor allem von der Art der Schaumerzeugung. • Zerfall abhängig von Form des Gefäßes und Verunreinigungen an der Glaswand. • Drei Zerfallseffekte: – Nach unten Fließen der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft dünnere Wände der Bläschen Zerplatzen (Entwässerung des Schaums, Drainage) – Zunahme der mittleren Blasengröße, da Kohlendioxid von kleineren in größere Blasen diffundiert kleine Blasen verschwinden, große platzen – Verdunstung am oberen Ende des Schaums Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.1 Bierschaumzerfall • Alle Untersuchungen zeigen zwei Zerfallsphasen (unterschiedliche Zerfallsgleichungen): – In ersten Phase überwiegt das nach unten Fließen der Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft (Bierrückholungsphase) – In zweiten Phase überwiegt die Blasenvergrößerung und das Platzen der Blasen. • Messung sinnvoll mit Videoanalyse Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.1 Bierschaumzerfall • Ergebnis als Streifenbild: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.1 Bierschaumzerfall • Ergebnis als Diagramm: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.1 Bierschaumzerfall • Sinnvollste mathematische Beschreibung: t / t / biexponentiell h(t ) h1 e 1 h2 e 2 • Logarithmische Darstellung: T. Wilhelm & W. Ossau: Bierschaumzerfall – Modelle und Realität im Vergleich – In: PdN-PhiS 58, Nr. 8, 2009, S. 19 - 26 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.1 Bierschaumzerfall • Videoanalyse zeigt aber auch: oberer Bierschaumrand manchmal problematisch Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung • Darstellung des Bewegungsablaufes eines Weitsprungs Bild anklicken! T. Mück, T. Wilhelm: Praxis der Naturwissenschaften – Physik in der Schule 58, Nr. 7, 2009, S. 19 - 27 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung • Schiefer Wurf des Körperschwerpunkts: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung Vergleich mit der berechneten Kurve • Absprungtempo (aus Tabelle): v 6,0 0,5 m • Absprungwinkel (abgelesen): 0 23 2 s • „Absprunghöhe“ (abgelesen): h0 0,70 0,05m Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung • Erstaunlich gute Approximation: • Variation des Absprungtempos um je 1 m s Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung • Weitere Möglichkeit: – Analyse vieler Körperpunkte: • Kopf, Ellenbogen, Hand, Hüfte, Knie, Füße – Verbinden entsprechender Punkte – Ergebnis: vereinfachte Darstellung der Körperbewegung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung • Weitere Möglichkeit: – Analyse vieler Körperpunkte: • Kopf, Ellenbogen, Hand, Hüfte, Knie, Füße – Verbinden entsprechender Punkte – Ergebnis: vereinfachte Darstellung der Körperbewegung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung • Drehimpulserhaltung: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.2 Weitsprung Optimierung der Sprungweite durch die Hangsprungtechnik: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.3 Stabhochsprung • Film: • Alternative Darstellungsmöglichkeit: Stroboskopbildaufnahme Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.3 Stabhochsprung •Energieerhaltungsprozess, veranschaulicht durch dynamische Diagrammentwicklung E_ges E_pot E_kin Bild anklicken! Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.4 Joggen • Beim Joggen macht der Kopf eine vertikale harmonische Schwingung: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.4 Joggen • Vertikale Orts- und Geschwindigkeitskomponente: Punkte sind Messwerte, Linie ist Modellierung • Vertikale Geschwindigkeitsund Beschleunigungskomponente: Thomas Wilhelm Punkte sind Messwerte, Linie ist Modellierung Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.5 Fußball Flugkurve beim Einwurf: Bewegungsablauf beim Schuss: Bewegungsablauf beim Kopfball: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.5 Looping Zeitlicher Verlauf des Geschwindigkeitsbetrags M. Schüttler; T. Wilhelm: Bewegungsanalyse im Freizeitpark, PdN-PhiS 60, Nr. 6, 2011, S. 18 - 24 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.6 Modellgas • Rüttelkammer mit Bleikugeln und einer Holzkugel (Rütteln regelbar) zweidimensionale Projektion eines dreidimensionalen Gases Verteilungsfunktion Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen mv ² c v ² m 2k T 2 F (v ) ve c ve k T 24.2.2014 4.6 Modellgas • Zehn Datensätze bei verschiedenen Rüttelspannungen aufgenommen • Überlegung U² ~ T passt zu den Messwerten: T/T0 = c0/c ~ U² Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.6 Modellgas • Bestätigung der EinsteinSmoluchowskiBeziehung: k T t x² 3 r k • Es gilt: v² 3 T m also <v²> ~ T Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.7 Hochgeschwindigkeitsvideos • Früheres Problem: Geringe Abtastrate von nur 12,5 oder 25 oder 30 fps (Frames per Second) • Problematisch bei hohem Tempo oder kurzen großen Beschleunigungen • Seit Frühjahr 2008: neue Kameras von Casio mit Highspeedfunktion (CMOS-Sensoren) • Produktpalette ändert sich ständig, bis 1.000 fps • Damit gibt es neue Möglichkeiten der Videoanalyse. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.7 Hochgeschwindigkeitsvideos HD-Kameras mit Highspeed-Funktion und avi-Ausgabe (meiste nicht mehr produziert, nur gebraucht zu haben): • Casio EXILIM EX-FS10 • Casio Exilim EX-FH100 • Casio Exilim EX-FC100 • Casio Exilim EX-FH20 • Casio Exilim EX-FH25 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.7 Hochgeschwindigkeitsvideos • Beispiel: Fallende Metallkugel trifft auf Glasplatte • Verwendet: 100 fps M. Michel & T. Wilhelm: Dynamik mit Hochgeschwindigkeitsvideos In: PdN-PhiS 59, Nr. 7, 2010, S. 23 - 30 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.7 Hochgeschwindigkeitsvideos • Beispiel: Durchrollen eines Loopings mit Reibung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.7 Hochgeschwindigkeitsvideos • Beispiel: Durchfahren eines Loopings mit antreibender Feder Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.7 Hochgeschwindigkeitsvideos • Beleuchtung: Zwei Baustrahler (je 20 €) + eine Diffusorfolie (20 €) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 4.8 Weitere Beispiele • Auf Wunsch weitere Beispiel im Workshop: – Springen – Joggen – Fußball – Tennis – Impulserhaltung – Energieerhaltung – Wurfbewegungen – etc. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5. Unterrichtskonzept mit Forschungsergebnissen Kooperation mit: Dr. Verena Tobias, LMU München Dr. Christine Waltner, LMU München Prof. Dr. Martin Hopf, Universität Wien Prof. Dr. Dr. Hartmut Wiesner, LMU München Wien 24.2.2014 5.1 Grundideen des Konzeptes • Newtonsche Mechanik eines der schwierigsten Inhaltsgebiete. Gründe: – Schülervorstellungen – Sachstruktur – Ungeeignete Darstellungen • Studien zeigen, selbst in der Klasse 7 bzw. 11. Jgst. haben nur wenige die Grundideen der Mechanik verstanden. • Physikdidaktiken dreier Unis arbeiteten zusammen: – Konzept und Materialien zur Einführung in die Mechanik 7. Jahrgangsstufe (D) entspricht Klasse 3 (Ö) – bekannte Sachstruktur weiterentwickelt Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.1 Grundideen des Konzeptes Die zwei wesentlichen Unterschiede zum traditionellen Mechanik-Unterricht: • Dynamik vor Statik (nach Reihenfolge und Gewichtung) – Kraft wird eingeführt über Bewegungsänderungen. – Nur als Spezialfall: Körper bleibt in Ruhe bei Kräftegleichgewicht. – Erst später: Zwei gegengleiche Kräfte an einem ausgedehnten Körper können ihn verformen (→ Hooke‘sches Gesetz). • 2-dim vor 1-dim Bewegungen (Reihenfolge und Gewichtung) – Von Anfang an allgemeine zweidimensionale Bewegungen – Betonung der Richtung aller Größen – Darstellung mit Pfeilen statt mit Diagrammen Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.1 Grundideen des Konzeptes Begründung: • In der Statik lernen die Schüler falsch: – Kräftegleichgewicht bedeutet Ruhe. – Ist eine Kraft größer, bewegt sich der Körper augenblicklich in Richtung der größeren Kraft. Die Bewegung geht immer in Kraftrichtung. – Kraft und Gegenkraft greifen am gleichen Körper an. – Wechselwirkungsprinzip wird nicht bedacht. – „Trägheit = am gleichen Körper angreifende Gegenkraft“ wird von Statik unterstützt. – Die Dauer der Krafteinwirkung spielt keine Rolle. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.1 Grundideen des Konzeptes Begründung: • Bei 1-dim Bewegungen lernen Schüler falsch: – Alle Größen sind skalare Größen (Zahlen). – Ort = Weg – Geschwindigkeit = Tempo – Beschleunigung = Schneller/langsamer werden – Für Kreisbewegung mit konstantem Tempo ist keine Kraft nötig. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.1 Grundideen des Konzeptes • In der Sek. I wird bei der Einführung auf einiges verzichtet: – Keine Beschleunigung – Praktisch keine Rechenaufgaben – Keine Diagramminterpretation – Kein Spezialwissen, nur grundlegendes Verständnis – Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche Bewegungsgleichung) nicht experimentell und induktiv herleiten, sondern mitteilen und plausibel machen! – Zweites Newton‘sches Axiom (Newton‘sche Bewegungsgleichung) nur in der vereinfachten Produktform F t m v – Kein Grenzübergang, d.h. nur Durchschnittswerte, keine Momentanwerte – Kaum Behandlung von Kraftwandlern, erst bei Energie! Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept • Beginn mit allgemeinen zweidimensionalen Bewegungen • Beschreibung einer Bewegung: Um die Bewegung eines Gegenstands zu beschreiben, muss zu bestimmten Zeitpunkten festgestellt werden, wo sich der Gegenstand befindet. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept zurückgelegter Weg s • Tempo Tempo v benötigte Zeit t (als Geschwindigkeitsbetrag) • Richtung (als augenblickliche Bewegungsrichtung) • Geschwindigkeit: Kombination von Tempo und Richtung • Geschwindigkeit wird mit Pfeil dargestellt • Hilfreich: Videoanalyse, die Geschwindigkeitspfeile ins Video zeichnen kann Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept v • Zusatzgeschwindigkeit als eigenständige Größe (als Elementarisierung der Beschleunigung) Bitte anklicken! Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept • Der zentrale Versuch mit Videoanalyse: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept v • Die Zusatzgeschwindigkeit ist Folge einer Einwirkung. • Die Richtung der Einwirkung und die Richtung der Zusatzgeschwindigkeit sind gleich. • Die Zusatzgeschwindigkeit v wird durch einen Pfeil dargestellt. Der v Pfeil von zeigt von der Pfeilspitze von v A zur Pfeilspitze von vE . Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept • Simulation zum senkrechten Stoß als unabhängiges Programm www.thomas-wilhelm.net/simu_stoss.zip Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept • Einwirkungsstärke und Einwirkungsrichtung werden zusammengefasst „Kraft“ genannt. • Die Zusatzgeschwindigkeit ist umso größer, – je größer die Einwirkungsstärke ist, – je länger die Einwirkungsdauer ist, – je kleiner die Masse des Gegenstands ist. F t m v • Zusammengefasst: • Das ist eine elemantarisierte Form des zweiten Newtonschen Axioms. • Die Produktform ermöglicht plausible Je-destoBeziehungen zu formulieren, die den Schülern kaum Schwierigkeiten bereiten. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept • Es folgen: – Sehr viele Alltags-Anwendungen dieser Newtonschen Bewegungsgleichung – Das Beharrungsprinzip als Spezialfall (= 1. Newtonsches Axiom) – Das Wechselwirkungsprinzip (= 3. Newtonsches Axiom) – Verschiedene Kraftarten – Kräfteaddition (aber keine Kräftezerlegung!) – Kräftegleichgewicht Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.2 Vorgehen in dem Unterrichtskonzept Erstellt für Forschungsprojekt für 7. Jgst in Bayern zu engem bayerischen Lehrplan Mit Experimenten und Aufgaben Buch erhältlich als pdf unter: www.thomas-wilhelm.net/2dd Lehrer bekamen DVD mit Unterrichtsmaterialien Materialien z.T. downloadbar unter: http://www.didaktik.physik.uni-muenchen.de/archiv/ inhalt_materialien/mechanikkonzept/index.html Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.3 Design der Studie • Ablauf der Studie: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.3 Design der Studie • Drei Teilstudien: – Vorstudie: 14 Lehrkräfte erproben in 19 Klassen – Hauptstudie: 10 Lehrkräfte unterrichten in 27 Klassen – Nachfolgestudie: 8 Lehrkräfte unterrichten • Forschungsmethoden: – Quantitativ: Verständnistest, fachspezifisches Selbstkonzept, Interesse am PU, Selbstwirksamkeitserwartung (jeweils Prä – Post – FollowUp) – Qualitativ: Lehrerinterviews, Schülerinterviews, Videoanalyse einer ausgewählten Unterrichtsstunde Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.4 Qualitative Ergebnisse • Unterrichtstagebücher: – In Kontroll- und Treatmentgruppe: Unterricht an den jeweiligen Lehrmitteln orientiert (gängige Bücher bzw. ausgehändigter Lehrtext). – Materialbereitstellung ist ein effektives Mittel bei der Implementation. • Schülerinterviews: – Die Beschreibung von Bewegungen durch den vektoriellen Geschwindigkeitsbegriff mit den Aspekten Tempo und Richtung bereitet den Lernenden keine Schwierigkeit. – Qualitativ von fast allen Lernenden verstanden: • Zusammenhänge von Kraft, Masse, Einwirkdauer und Zusatzgeschwindigkeit • Beitrag von Anfangs- und Zusatzgeschwindigkeit zur Endgeschwindigkeit – Quantitative Konstruktionen von Zusatz- und Endgeschwindigkeit etwa durch die Hälfte der Lernenden anwendbar. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.5 Ergebnisse im Verständnistest • 2 Items zum zweidimensional-dynamischen Konzept: Höchst signifikanter Unterschied mit großer Effektstärke Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.5 Ergebnisse im Verständnistest • 2 Items zum traditionellen Konzept: Kein signifikanter Unterschied Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.5 Ergebnisse im Verständnistest • 13 Items zum Grundverständnis: Höchst signifikanter Unterschied mit mittlerer Effektstärke Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.5 Ergebnisse im Verständnistest • Interaktionseffekt zwischen Gruppe und Geschlecht: – In Kontroll- und Treatmentgruppe sind die Jungen den Mädchen in Vorwissen hoch bzw. höchst signifikant überlegen. – Unterschiede bleiben in der Kontrollgruppe bestehen oder wachsen. – In Treatmentgruppe nach Unterricht keine signifikanten Unterschiede! Die Mädchen holen also auf! Kontrollgruppe Treatmentgruppe Jungen Mädchen Signifik. Jungen Mädchen Signifik. Vortest 3.18 2.68 ** 3.13 2.53 *** Nachtest 4.62 3.94 ** 5.57 5.18 n. s. Zeitverzögerter Nachtest 4.58 3.64 *** 5.25 4.76 n. s. Mittelwerte nach Geschlechtern (** hoch signifikant, *** höchstsignifikant) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.6 Lehrerakzeptanz • In Treatmentgruppe: – Alle 10 Lehrkräfte wollen auch zukünftig so unterrichten. – Einige Lehrkräfte fungierten als Multiplikatoren an ihren Schulen. • Beispielzitat: – „Mit der Newtonschen Bewegungsgleichung sind sie eigentlich ganz gut umgegangen … da konnten sie Phänomene erklären … Also da war ich echt erstaunt … sehr, sehr gut im Vergleich zu den Klassen vorher … sogar so gut, dass ich das dann auch in der 10. Klasse mal zerteilt habe - die Beschleunigung - … das hat auch denen geholfen … Prima!“ (Lehrperson 5) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 5.7 Ergebnisse • Schülerinterviews und Verständnistestes zeigen: – Schüler erreichen größeres Verständnis (höchst signifikanter Unterschied mit mittlerer Effektstärke) – Mädchen holen auf. • Lehrerinterviews und Unterrichtstagebücher zeigen: – Materialbereitstellung ist ein effektives Mittel bei der Implementation neuer Ideen. – Lehrkräfte akzeptieren das Konzept und wollen nur noch so unterrichten. • Für das Konzept und die Evaluation: – Zweiter Platz 2011 beim ersten, bundesweiten Polytechnikpreis der Polytechnischen Gesellschaft bzw. bestes Physikprojekt Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6. Passende Lehrerhandbücher Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Universität Frankfurt Wien 24.2.2014 6.1 Lehrerhandbuch I • Kernpunkte des erprobten Unterrichtskonzeptes • ausführliche Darstellung • mit umfangreichen Unterrichtsmaterialien auf DVD • Titel: WIESNER, H.; WILHELM, T.; RACHEL, A.; WALTNER, C; TOBIAS, V.; HOPF, M.: Mechanik I: Kraft und Geschwindigkeitsänderung In: Reihe Unterricht Physik, Band 5, Aulis-Verlag, 2011 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6.1 Lehrerhandbuch I Gliederung: 1 Einführung des Themenbereichs Mechanik 2 Beschreibung von Bewegungen 3 Geschwindigkeit 4 Änderungen von Geschwindigkeiten – die Zusatzgeschwindigkeit 5 Newtonsche Bewegungsgleichung, (träge) Masse und Kraft 6 Vergleich von trägen Massen mithilfe von Stoßversuchen Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen Forschungsprojekt Erweiterung 24.2.2014 6.1 Lehrerhandbuch I • Beispiele für Videos und Videoanalysen auf der DVD des Lehrerhandbuches I: Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6.2 Lehrerhandbuch II • Fortsetzung vom Lehrerhandbuch I • Erweiterung des ursprünglichen Konzeptes • lehrplanunabhängig, ausführliche Darstellung • Konzeptbeschreibung für die Sek. I • mit sehr umfangreichen Unterrichtsmaterialien auf DVD • Titel: WILHELM, T.; WIESNER, H.; HOPF, M.; RACHEL, A.: Mechanik II: Dynamik, Erhaltungssätze, Kinematik In: Reihe Unterricht Physik, Band 6, Aulis-Verlag Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6.2 Lehrerhandbuch II Gliederung: 1. Anwendungen der Newton‘schen Bewegungsgleichung 2. Das Beharrungsprinzip 3. Das Wechselwirkungsprinzip 4. Der Impulserhaltungssatz Forschungs -projekt Erweiterung 5. Die Erdanziehungskraft 6. Dehnung und Hooke’sches Gesetz 7. Kräfteaddition und Kräftegleichgewicht 8. Reibungskräfte 9. Der Energieerhaltungssatz 10.Kinematik Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6.3 Entscheidungen zur Sachstruktur Beharrungsprinzip: Betonung: Ohne Krafteinwirkung behält ein Körper Tempo und Richtung. Kein Behandeln von Trägheitskräften, sondern immer Beschreibung aus der objektiven Sicht des außenstehenden Beobachters Deutlich machen: Dem mitbewegte Beobachter erscheint es anders. Wechselwirkungsprinzip: Anwendung auf Fortbewegungen: Auto, Flugzeug, Hubschrauber, Sprinter, Raketen Wien 24.2.2014 6.3 Entscheidungen zur Sachstruktur Impulserhaltungssatz: Abgeleitet ausdem Wechselwirkungsgesetz 𝐹1→2 = −𝐹2→1 mit Hilfe von F t m v , dann experimentelle Bestätigung. Erdanziehungskraft: Auch konsequent ohne Beschleunigung behandelt Hooke‘sches Gesetz: Greifen an einem Körper an verschiedenen Punkten zwei gleich große, entgegengerichtete Kräfte an, ändert sich seine Geschwindigkeit nicht, aber er kann verformt werden. Wien 24.2.2014 6.3 Entscheidungen zur Sachstruktur Kräfteaddition Es gibt keine Kräftezerlegung! Beispiel Hangabtriebskraft Hervorheben der Wirkungslinie Angriffspunkte nicht explizit Wien 24.2.2014 6.3 Entscheidungen zur Sachstruktur Reibungskräfte Einführung als Tangentialkräfte Bedeutung der Haftkraft, z.B. fürs Laufen vE FWT FPN vA Wien FWN FPT 24.2.2014 6.3 Entscheidungen zur Sachstruktur Der Energieerhaltungssatz Keine Einführung der Energie über die Arbeit Sondern erst Energieerhaltung, dann Arbeit Beginn mit der kinetischen Energie Eindimensionale Kinematik An letzter Stelle nach Dynamik/Kräften/Erhaltungssätzen In Gleichungen und Diagrammen: Komponenten vx und ax Hier auch Unterrichtsvorschläge zur Beschleunigung Wien 24.2.2014 6.4 Materialien • Bei allen Themen stehen sehr viele Videos von Bewegungen auf DVD zur Verfügung. • Jeweils auf drei Arten zur Auswahl: – Videos zur Bearbeitung in jedem Videoanalyseprogramm – Videoanalyseprojekte für „measure dynamics“, bereits analysiert mit vielen Einblendungen – Mehrere exportierte Videos mit Einblendung verschiedener physikalischer Größen • Dabei Darstellung physikalischer Größen über bewegte Pfeile und andere Einblendungen (dynamisch ikonische Repräsentationen). Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6.4 Materialien • Beispiel: Videos zur Erdanziehungskraft Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6.4 Materialien • Beispiel: Videos zur Haftkraft Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 7.4 Materialien • Beispiel zur Kinematik Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 6.5 Zwei weiterführende Links • Zum Videoanalyseprogramm „measure dynamics“: – Infos, Materialien, Link zur Phywe und Literatur unter: www.thomas-wilhelm.net/mD.htm • Zum München-Würzburg-Wien-Projekt „zweidimensional-dynamische Mechanik im Anfangsunterricht“: – Infos, Materialien, Schulbuch, Software und Literatur unter: www.thomas-wilhelm.net/2dd.htm Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Wien 24.2.2014 Workshop Dienstag 14 bis 17 Uhr Bitte eigenen Windows-Laptop mitbringen! Software auf DVD vorhanden Kameras vorhanden Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1. Erstellen von Videos – Aufnahme und digitale Weiterverarbeitung Prof. Dr. Thomas Wilhelm Institut für Didaktik der Physik Goethe-Universität Frankfurt Wien 24.2.2014 1.1 Der Weg zum Video • Aufnahme des Experiments • Früher: Digitalisierung • Evtl. Nachbearbeitung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.2 Die Filmaufnahme • Die Szene sollte gut ausgeleuchtet sein, damit es keine Probleme mit Schatten oder langen Belichtungszeiten gibt • Der Filmausschnitt sollte möglichst gut ausgenutzt werden. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.2 Die Filmaufnahme • Ein einheitlicher Hintergrund ist nicht zwingend, aber sicher von Vorteil. • Das gewählte und zu analysierende Objekt sollte in Form und Farbe möglichst gleichmäßig sein. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.3 Die möglichen Kameras 1. Klassische analoge Kamera mit Kassette (analog, feste Zeitbasis, Datenverlust beim Digitalisieren) 2. Digitale Videokamera mit Magnetband (DV, MiniDV) (digital, feste Zeitbasis, unkomprimiert, großer Speicherbedarf) 3. Komprimierende digitale Videokamera/Foto/Handy (digital, feste Zeitbasis, komprimiert, direkt verwendbar) 4. Web-Cam (digital, keine feste Zeitbasis) Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.4 Bearbeitung der Videos • Die Filme der komprimierenden Kameras (oder Fotoapparate oder Handys) können als Dateien schnell kopiert werden und direkt verwendet werden. • Programme zur Videonachbearbeitung (z.B. MovieXone, VirtualDub, Adobe Premiere, ...). Nachbearbeitungsmöglichkeiten: Helligkeit, Kontrast, Farbanpassung, Beschneiden der Filme (zeitlich und räumlich) • Das Meiste ist aber auch im Videoanalyseprogramm „measure dynamics“ möglich. Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 1.5 Fertigstellung des Videos • Export aus den Videobearbeitungsprogramm im gewünschten Format und mit gewünschten Codec! • Verschiedene Formate: *.mov, *.avi, *.mpg, *.mp4, ... (Containerformate) • Verschiedene Codecs, z. B. CinePak, Indeo 5.10, MPEG-1, MPEG-2, MPEG-4, H.264 Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 Ausblick • An dieser Stelle: Praktische Übung • Ablauf: 1. Gemeinsames Analysieren eines fertigen Videos 2. Eigenes Spielen mit fertigen Projekten oder Videos 3. Eigene Aufnahme und Analyse 4. Weitere Beispiele mit „measure dynamics“ Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 Beispiele 2. Flugbahnen beim Fußball 3. Magnuseffekt 4. Vollspannstoß 5. Bewegung beim Kopfball 6. Sprunghöhe beim Kopfball 7. Springen Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 2. Videoanalyse von Flugbahnen Durchführung des Versuchs nur im Freien möglich Kameraausschnitt mit etwa 30 m Länge Markierungshütchen in einem Abstand von 10 m Sinnvoll, die x- und y- Komponente der Geschwindigkeit zu betrachten Abstoß vom Boden x-Komponente der Geschwindigkeit vx ändert sich kaum y-Komponente wie beim senkrechten Wurf Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 2.1 Abstoß vom Boden Im Videoanalyseprogramm kann auch ein x-y-Diagramm der Flugbahn erstellt werden, hier blau: Aus Abschusswinkel φ und Abschusstempo v0 sowie die Geschwindigkeitskomponenten vx und vy lässt sich die theoretisch zu erwartende Flugbahn ohne Luftreibung 1 𝑔 ermitteln (rot): 𝑦 𝑥 = − 𝑥 2 + 𝑡𝑎𝑛𝜑 𝑥 2 𝑣0 ² 𝑐𝑜𝑠²𝜑 Hier berechnete Kurve niedriger und kürzer als gemessene Grund: Magnus-Effekt (Back-Spin) Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 2.2 Abschlag aus der Hand Abschlag aus der Hand: Höhere Starthöhe Größerer Winkel möglich Fast ohne Spin möglich Gemessene und berechnete Kurve: Grund für Abweichung: Luftreibung Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 3.1 Kugel mit Magnuseffekt im Wasser Knetkugel Durchmesser ca. 4 cm ( = 1,39 kg/m³) Kugel rollt Rinne (1,8 m lang) leicht geneigt (8°) hinunter Kugel trifft mit ca. 1 m/s leicht schräg auf Wasseroberfläche Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 3.1 Kugel mit Magnuseffekt im Wasser Ohne Magnuseffekt: Kugel fällt gemäß Fallparabel im Wasser nach unten. Wegen Auftriebskraft müsste Beschleunigung a = 2,7 m/s² nach unten sein Tatsächlich: engerer Bogen wieder nach links zurück Videoanalyse (30 fps) ergibt: Stroboskopbild Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungspfeile Klicken für Video Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 3.1 Kugel mit Magnuseffekt im Wasser Beschleunigung mal Masse ergibt wirkende Gesamtkraft: rot Gewichtskraft und Auftriebskraft immer nach unten: violett Differenz ergibt Kraft durch Strömung: tangentialer Anteil ist Reibungskraft durch Strömungswiderstand: orange radialer Anteil ist Magnuskraft: rosa Klicken für Video Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 3.2 Versuch zum Magnuseffekt in Luft Papprolle (ca. 20 cm) bekommt auf beiden Stirnflächen Scheiben ( 8 cm) aufgeklebt. Dünner Holzstab (ca. 1 m) bekommt Stoffstreifen (ca. 0,1 m breit, mind. 1 m lang) mit Reißnägeln befestigt. Stoffstreifen eng und fest um die Rolle gewickelt An Holzstab wird extrem fest gezogen. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 3.2 Versuch zum Magnuseffekt in Luft Rolle wird horizontal nach rechts beschleunigt. Rolle bekommt Rotationsbewegung nach hinten (Backspin). Ohne Magnuseffekt fällt Rolle am Tischende gemäß Fallparabel nach unten. Tatsächlich Bogen nach oben Videoanalyse (30 fps) liefert Stroboskopbild Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 3.2 Versuch zum Magnuseffekt in Luft In Videoanalyseprogramm „measure dynamics“: Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungspfeile auf Knopfdruck im Video v a Klicken für Video Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 3.2 Versuch zum Magnuseffekt in Luft Beschleunigung mal Masse ergibt wirkende Gesamtkraft: rot Gewichtskraft sehr klein nach unten: schwarz Differenz ergibt Kraft durch Strömung: tangentialer Anteil ist Reibungskraft durch Strömungswiderstand: orange radialer Anteil ist Magnuskraft: rosa Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt Klicken für Video 4. Bewegungsanalyse beim Vollspannschuss Klicken für Video Erst rechtes Bein kleinen Schritt linker Fuß (Standfuß) links neben den Ball rechte, zu analysierende Fuß, holt aus, im Knie angewinkelt Schussvorgang: erst Oberschenkel bewegt, dann Unterschenkel (Schleuderbewegung) Schließlich Ausschwungphase Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 5. Bewegungsabläufe beim Kopfball Klicken für Video Vorbereitung: Knie angewinkelt, Kopf nach hinten Absprung durch Durchstrecken der Knie, Holkreuzhaltung Kopfball: Klappmesserbewegung Landung leicht in die Knie, um den Aufprall abzufedern. Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 6. Sprunghöhe beim Kopfball Höhe Sprunghöhe im zeitlichen Verlauf: Tonpapier auf der Brust Zeit Fußballer zunächst zum Schwungholen in die Hocke dann hochspringen am Ende zum Abfedern wieder in die Knie Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 6. Sprunghöhe beim Kopfball Hocke oben Flugphase Hocke Geschwindigkeitskomponente vy Lohnenswert: Diagramminterpretation der Geschwindigkeitskomponente vy (Vorbereitung auf Schwingung) Zeit Thomas Wilhelm, Institut für Didaktik der Physik, Goethe-Universität Frankfurt 7. Springen • Sprungbewegung ist aufzuteilen: – In die Hocke Gehen zum Schwungholen – Abdrücken – Flugphase – Landung mit in die Hocke – Aus Hocke zurück zum Stand • Im Unterricht nicht alles auf einmal, sondern getrennt betrachten Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 7. Springen • Videoanalyse: Strecksprung aus der Hocke in die Hocke: Geschwindigkeit Beschleunigung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 7. Springen • Videoanalyse: Strecksprung aus der Hocke in die Hocke: Gemessen: Ort und Geschwindigkeit Modell: Ort und Geschwindigkeit Thomas Wilhelm Geschwindigkeit und Beschleunigung Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014 7. Springen • Sprung aus dem Stand in den Stand (Videoanalyse des Kopfes): Vertikale Komponente von: Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung Thomas Wilhelm Möglichkeiten der Videoanalyse von Bewegungen 24.2.2014
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