Funktionen laufenBewegungsmesser
Ein Arduino misst die Bewegung – der Graph entsteht live am Beamer.
Physik Klasse 7–10 (s-t- und v-t-Diagramme, Schwingungen). Mathematik Klasse 7–10 (Funktionen).
Am Beamer braucht es keine Software: Der Arduino macht sein eigenes WLAN auf, die Seite läuft im Browser. Demo vorne im Raum: eine Person läuft, alle sehen, wie sich der Live-Graph aufbaut.
Funktion laufen
Einsatz im Unterricht ›
Mathe: Funktion laufen
Am Beamer steht ein Graph. Eine Person läuft ihn mit der Platte nach – nach vorne heißt immer: Graph nach oben. Am Ende zeigt die Seite, wie viel Prozent im Band lagen. Vorgaben von gleichförmig bis beliebig, eigene Terme oder einfach eine Kurve ins Diagramm zeichnen.
Physik: Bewegung
s-t- und v-t-Diagramm entstehen live nebeneinander. Mit den Achsen t und s bzw. t und v lassen sich auch Bewegungen nachlaufen – ein v-t-Diagramm nachzulaufen ist erstaunlich schwer.
Physik: Schwingung
Die SuS spielen mit der Platte eine Lautsprechermembran; gemessen wird die Auslenkung um die Ruhelage.
Vorbereitung im Raum
- Box auf Brusthöhe auf einen Tisch stellen, die Augen zeigen in den Raum.
- Strahl am Boden mit Kreppband kleben: ganz hinten die 0 (3 m vor dem Sensor), dann 1 m, 2 m, 3 m, Pfeil zur Box. So sieht man beim Laufen, wo man auf der y-Achse steht.
- Eine glatte Platte zum Halten bereitlegen – ein Ordner geht auch.
- Wenig Platz? Im ⚙ den Nullpunkt auf 2,5 m oder 2 m stellen (Strahl entsprechend kürzer).
Einschalten ›
- USB-C-Kabel oben einstecken (Powerbank oder Netzteil).
- Mit dem WLAN „Bewegungsmesser“ verbinden (ohne Passwort).
- Im Browser
http://192.168.4.1öffnen – oder den QR-Code auf dem Etikett scannen.
Das Gerät mit dem Beamer (Laptop, iPad) braucht nur einen Browser. Solange es mit dem Bewegungsmesser verbunden ist, hat es kein Internet.
▶ Ohne Sensor ausprobierenBauteile
| Anzahl | Bauteil | Hinweis |
|---|---|---|
| 1× | Arduino UNO R4 WiFi | Das WLAN ist schon eingebaut. |
| 1× | Acryl-Grundplatte für den UNO | Die Platte, auf die der Arduino kommt; sie sitzt zwischen den Erhebungen und dem Deckel. |
| 1× | Ultraschallsensor HC-SR04 | Die übliche 5-V-Version mit vier Pins. |
| 4× | Jumperkabel Buchse–Stecker | ca. 20 cm |
| 1× | Hülle und Schiebedeckel | 3D-gedruckt aus PLA, Dateien unten. Die Datei für die Rückwand folgt. |
| 1× | USB-C-Kabel, kurz | Ein Datenkabel – damit wird auch das Programm aufgespielt. |
| 1× | Powerbank oder USB-Netzteil | Manche Powerbanks schalten sich bei so wenig Strom ab – dann das Netzteil nehmen. |
| 1 Rolle | Kreppband | Hält den Sensor in der Hülle und markiert den Strahl am Boden. |
| 1× | Glatte Platte | Zum Vor-die-Brust-Halten, z. B. ein Brett, feste Pappe oder ein Ordner. |
Zusammenbauen
Hülle und Rückwand aus PLA, 0,2 mm, 15 % Füllung, mit Stützen. Die Sensorseite liegt auf dem Druckbett. In der 3MF-Datei ist alles eingestellt (Bambu A1 mini).
Verkabeln
| VCC | 5V |
| Trig | Pin 2 |
| Echo | Pin 3 |
| GND | GND |
Einsetzen
Sensor von innen in die beiden Löcher stecken und mit Kreppband festkleben. Den Arduino mit der USB-C-Buchse nach oben auf die Erhebungen legen.
Rückwand einschieben
Die Rückwand (Wabendeckel) von oben in die Schiene schieben – er hält den Arduino zwischen sich und den Erhebungen fest.
Die Datei für die Rückwand folgt.
Programm aufspielen
Arduino IDE öffnen, im Boardverwalter Arduino UNO R4 Boards installieren, Bewegungsmesser.ino öffnen, Board „Arduino UNO R4 WiFi“ wählen und hochladen. Weitere Bibliotheken braucht es nicht. Das Programm wird noch überarbeitet.
Etikett und Strom
Etikett auf eine Seite kleben, USB-C-Kabel oben einstecken. Fertig – WLAN verbinden und loslaufen.
Dateien
Alles als ZIP herunterladen Hülle (als STL und als 3MF), Arduino-Programm, Etiketten, Vorschau und ein ReadMe · ca. 0,2 MB · Rückwand folgt, Programm wird noch überarbeitetHülle – STL oder 3MF: dieselbe Hülle, eine Datei reicht
Programm und Etikett
Didaktik
Didaktischer Kommentar ›
Einordnung
Der Bewegungsmesser passt überall dort, wo Graphen etwas bedeuten sollen: in Mathematik bei linearen, stückweise linearen und quadratischen Funktionen (Klasse 7–10), in Physik bei gleichförmigen und beschleunigten Bewegungen sowie bei Schwingungen. Vorbereitet wird einmal: Box auf den Tisch, Strahl mit Kreppband auf den Boden, Platte oder Ordner bereitlegen.
Der Graph kommt vom eigenen Körper
Die Person spürt, was Steigung bedeutet: schnell laufen heißt steil, stehen bleiben heißt waagerecht, zurücklaufen heißt fallend, umdrehen heißt Hoch- oder Tiefpunkt. Weil der Graph sofort entsteht, sehen alle die Folge einer Bewegung und können Ursache und Wirkung direkt verbinden. Typische Fehlvorstellungen – etwa der Graph als Bild des Weges „von oben“ – werden sichtbar und lassen sich gleich besprechen.
Geschwindigkeit wird sichtbar
Im s-t-Diagramm ist die Geschwindigkeit die Steilheit: Wer doppelt so schnell läuft, erzeugt eine doppelt so steile Gerade. Im v-t-Diagramm wird dieselbe Bewegung zu einer waagerechten Linie, Stehenbleiben zur Null, Zurücklaufen zu negativen Werten. Mit beiden Diagrammen nebeneinander lässt sich der Geschwindigkeitsbegriff Schritt für Schritt aufbauen – von „schnell“ und „langsam“ bis zur Steigung als Änderungsrate.
Der Strahl am Boden
Der Kreppband-Strahl ist die y-Achse zum Drauflaufen: Die Zahl, auf der man steht, ist der y-Wert im Graphen. So wird die Verbindung zwischen Ort im Raum und Wert im Diagramm ganz konkret.
Vorne heißt oben
Die Box legt fest: Wer zum Sensor läuft, lässt den Graphen steigen. Diese Regel gilt in allen Modi gleich. So bleibt die Zuordnung stabil, und die SuS können sich ganz auf die Form des Graphen konzentrieren.
Nachlaufen statt nur zuschauen
Beim Funktion-laufen müssen die SuS den Graphen erst lesen und in eine Bewegung übersetzen: Wo starte ich? Wann wird es schneller? Die Prozentangabe am Ende macht daraus eine kleine Challenge, ohne dass es um Noten geht. Die Klasse kann vorher Tipps geben – so arbeiten alle mit, auch wenn nur eine Person läuft.
Ideen zum Besprechen
- Welche Graphen kann man gar nicht laufen? (senkrechte Stücke, Sprünge)
- Was passiert im v-t-Diagramm, wenn man im s-t-Diagramm stehen bleibt?
- Warum ist der gemessene Graph nie ganz glatt?
Inspiration
Die Idee stammt aus dem Mathematikum in Gießen: Dort gibt es ein Ausstellungsstück, an dem man Graphen nachläuft – fest aufgebaut. Der Bewegungsmesser macht daraus etwas zum Mitnehmen in den Klassenraum.
Lizenz
Dieses Material steht unter CC BY-NC-SA 4.0 (Namensnennung – Nicht kommerziell – Weitergabe unter gleichen Bedingungen). Autorin: Anabel Dietz.