Dies ist unsere zweite Aktivität, die die Verwendung eines Smartphones oder Tablets erfordert. Bitte lassen Sie uns wissen, was Sie denken. E-Mail [email protected] mit Feedback über den Einsatz von Technologie in diesem—und Zukunft—Bringen Wissenschaft nach Hause Aktivitäten.
Schlüsselkonzepte
Physik
Licht
Messung
Mathematik
Einführung
Wussten Sie, dass Sie ein Smartphone als wissenschaftliches Instrument verwenden können, um die Welt um Sie herum zu erkunden?, Smartphones enthalten viele integrierte elektronische Sensoren, die Phänomene wie Ton, Licht, Bewegung und mehr messen können. In dieser Aktivität verwenden Sie den Lichtsensor auf einem Telefon oder Tablet, um die Helligkeit von Licht aus verschiedenen Lichtquellen und Orten zu untersuchen. Wie hell ist die Leselampe in Ihrem Wohnzimmer im Vergleich zu direkter Sonneneinstrahlung? Probieren Sie diese Aktivität aus, um es herauszufinden!
Hintergrund
Messen Dinge um Sie herum, wie Entfernung, ist wahrscheinlich ziemlich vertraut. Maßeinheiten wie Zoll oder Zentimeter können den Abstand zwischen einem Punkt und einem anderen beschreiben., Aber es gibt viele andere Qualitäten in der Welt um uns herum, die wir auch in messbare Größen umwandeln können. Wussten Sie zum Beispiel, dass Sie Licht messen können? Sie könnten Lichtpegel relativ zu anderen Dingen beschreiben, wie „dunkel wie Nacht“ oder „heller als die Sonne“, aber Sie würden wahrscheinlich keine Zahl verwenden. Aber so wie Sie vielleicht ein Lineal benötigen, um eine Entfernung zu messen, können Sie ein Werkzeug verwenden, um präzise Lichteinheiten zu messen.
Licht kann auf verschiedene Arten gemessen werden. Eine Maßeinheit wird Lux genannt, die beschreibt, wie viel Licht auf einen bestimmten Bereich fällt., (Dies unterscheidet sich von einer Einheit von Lumen, die Ihnen die Gesamtmenge an Licht von einer Lichtquelle emittiert sagt.) Die Anzahl der Lux wird kleiner, wenn Sie weiter von einer Lichtquelle entfernt sind. Das macht Sinn, wenn man darüber nachdenkt: Eine Glühbirne sieht viel dimmer aus, wenn man 100 Fuß von ihr entfernt steht, anstatt aus der Nähe—obwohl sie immer noch die gleiche Gesamtmenge an Licht in Lumen emittiert. Typische Lux-Werte im Freien können in einer dunklen Nacht von weniger als 1/1. 000 Lux bis zu mehr als 30.000 Lux bei direkter Sonneneinstrahlung reichen!
Hier kommt ein Smartphone zum Einsatz., Es gibt seit langem Stand-alone-Lux-Meter (für den Einsatz in der Fotografie, zum Beispiel), Geräte mit einem Lichtsensor und einem Bildschirm, der Lichtpegel in Lux-Einheiten anzeigen würde. Aktuelle Smartphones und Tablets enthalten jedoch im Allgemeinen integrierte Lichtsensoren, mit denen die Bildschirmhelligkeit basierend auf den Lichtstärken automatisch angepasst wird (z. B. um den Bildschirm heller und leichter zu erkennen, wenn Sie das Gerät in direktem Sonnenlicht verwenden, aber den Bildschirm in dunkleren Umgebungen dimmen, damit es nicht zu hell für Ihre Augen ist). Viele Telefone können Apps ausführen, die den Lichtwert in Lux-Einheiten anzeigen., Um mehr über die Lichtverhältnisse in der Welt um Sie herum zu erfahren, finden Sie ein Smartphone oder Tablet und beginnen Sie mit der Messung!
Materialien
- Smartphone oder Tablet mit Internetzugang und Berechtigung zum Herunterladen und Installieren einer App
- Erwachsene (zur Überprüfung und zum Herunterladen der App)
- Verschiedene Lichtquellen (Taschenlampe, Lampe, Deckenleuchte usw.)
- Verschiedene Orte (dunkler Schrank, Raum mit Fenstern, im Freien, etc.)
- optional)
- Bitten Sie einen Erwachsenen, Ihnen bei der Suche nach einer „lux Meter“ – oder „Light Meter“ – App auf einem Smartphone oder Tablet zu helfen., Es stehen viele kostenlose Optionen zur Verfügung (beachten Sie, dass in einigen Apps möglicherweise Anzeigen oder In-App-Käufe aktiviert sind).
- Lernen Sie Ihre lux Meter App kennen. Einige Apps zeigen nur eine Zahl auf dem Bildschirm an, während andere einen Zähler oder eine Grafik anzeigen. Einige lassen Sie auch Daten aufzeichnen. Stellen Sie sicher, dass die App funktioniert: Bewegen Sie Ihr Telefon von einem dunklen Raum in einen hellen Raum oder halten Sie es in der Nähe einer Glühbirne (Glühbirnen sind auch heiß und hell, also seien Sie vorsichtig hier), und Sie sollten die Zahlen schwanken sehen.
- Suchen Sie den Lichtsensor auf Ihrem Gerät., Es ist in der Regel in der Nähe der Spitze auf der Vorderseite des Telefons (die Seite mit dem Bildschirm). Sie können dies tun, indem Sie Ihre Fingerspitze über die Oberfläche des Telefons ausführen, während Ihre Lux Meter-App geöffnet ist. Wenn Ihr Finger den Lichtsensor bedeckt, sollte der Messwert fallen. Stellen Sie sicher, dass Sie den Sensor während der Aktivität nicht versehentlich abdecken.
- Hinweis: Einige Apps zeigen möglicherweise Lichtstärken in anderen Einheiten an, z. B. „EV“, das für „Belichtungswert“ steht und in der Fotografie verwendet wird, um die Lichtmenge zu messen, die auf eine Kamera trifft., Die in dieser Aktivität erläuterten Konzepte gelten weiterhin, und Sie können immer noch verschiedene Lichtquellen vergleichen oder wie sich die Lichtstärke mit der Entfernung von einer Lichtquelle ändert. Die Zahlen, die Sie in EV messen, sind jedoch nicht die gleichen, die Sie in Lux messen würden.
Verfahren
- Testen Sie, wie sich Luxwerte mit Abstand von einer festen Lichtquelle ändern. Stellen Sie sich beispielsweise direkt unter eine Deckenleuchte, halten Sie Ihr Telefon mit dem Bildschirm nach oben und bewegen Sie das Telefon auf und ab., Alternativ halten Sie das Telefon seitwärts und richten Sie es auf eine Stehlampe, wie Sie näher an und weiter weg von der Lampe gehen. Wie ändern sich die Messwerte mit der Entfernung?
- Vergleichen Sie nun verschiedene künstliche Lichtquellen in gleicher Entfernung. Sie können ein Lineal für dieses oder ein beliebiges Objekt (oder ein Körperteil wie Ihren Unterarm) als Abstandshalter verwenden. Die genaue Entfernung spielt keine Rolle, solange Sie sie konstant halten. Wie vergleicht sich eine Taschenlampe mit einer Glühbirne? Was ist mit dem Licht von einem Fernseher oder Computerbildschirm? Welche Lichtquelle in Ihrem Haus ist die hellste? Der dunkelste?,
- Schließlich messen umgebungslicht ebenen in verschiedenen orten. Schalten Sie alle künstlichen Lichtquellen aus. Wie vergleichen sich die Lichtverhältnisse draußen mit den Lichtverhältnissen im Inneren? Was ist in einem Raum mit geschlossenen Fensterverkleidungen und offenen Fensterverkleidungen? In dem Raum, in dem Sie nachts oder tagsüber schlafen? Welcher Raum in Ihrem Haus erhält das natürlichste Licht? Welcher Raum bekommt am wenigsten?
- Extra: Versuchen Sie, Ihr Telefon relativ zu einer Lichtquelle zu neigen, und beobachten Sie, wie sich die Messwerte ändern.,
Beobachtungen und Ergebnisse
Sie haben wahrscheinlich bemerkt, wie dramatisch lux mit Abstand von einer Lichtquelle ändern. Sie können nur ein paar zehn oder Hunderte von Lux lesen, wenn Sie über den Raum von einer Glühbirne sind, aber wenn Sie Ihr Telefon bis zur Glühbirne halten, könnte die Lesung in den Tausenden oder sogar Zehntausenden sein. Dies liegt an einer mathematischen Beziehung, die als inverses Quadratgesetz bezeichnet wird. Wenn sich das Licht von der Quelle nach außen ausdehnt, fällt die Lichtmenge, die auf jeden Bereich trifft, sehr schnell ab., Die Sonne ist so weit weg, dass Sie es vielleicht überraschend finden, dass die Lux-Werte bei direkter Sonneneinstrahlung so hoch sind (in Zehntausenden von Lux). Dies gibt uns ein Gefühl dafür, wie sehr hell die Sonne selbst ist!
Wenn Sie versucht haben, Ihr Telefon zu kippen, haben Sie möglicherweise bemerkt, dass die Messwerte abgenommen haben—obwohl sich der Abstand Ihres Telefons zur Lichtquelle nicht geändert hat. Der Winkel einer Oberfläche relativ zur Lichtquelle bestimmt auch, wie viel Licht auf sie trifft, da sich Licht in einer geraden Linie bewegt. Eine Oberfläche, die senkrecht (in einem 90-Grad-Winkel) zu den Lichtstrahlen steht, sammelt das meiste Licht., Deshalb ist es wichtig, dass Sonnenkollektoren direkt auf die Sonne gerichtet sind—und warum die Pole der Erde weniger Licht bekommen (und kälter sind) als der Äquator.
Eine Maßeinheit und ein Gerät zum Messen können nützlich sein, um verschiedene Umgebungen genauer zu bestimmen und zu vergleichen. Sie könnten zum Beispiel feststellen, dass ein bestimmter Bereich von Lux für Sie am bequemsten ist, ein Buch zu lesen. Diese Messungen können für die Gestaltung von Gebäuden wie Schulen verwendet werden, um sicherzustellen, dass für verschiedene Bereiche und Aktivitäten die richtige Lichtmenge vorhanden ist.,
Abhängig von Ihrem Telefon oder der App, die Sie verwendet haben, war der Wertebereich, den Sie messen konnten, möglicherweise begrenzt. Einige Apps zeigen beispielsweise möglicherweise keine Dezimalwerte an, was es schwierig macht, Lichtpegel unter 1 Lux zu messen (mit anderen Worten, selbst wenn der tatsächliche Messwert 0,4 Lux beträgt, zeigt die App 0 Lux an). Dies wäre am häufigsten an sehr dunklen Orten, wie in einem Schrank oder draußen in der Nacht. Der maximale Messwert kann auch durch die App oder die Hardware des Telefons oder Tablets begrenzt werden., Sie können zum Beispiel nur einen Wert von 10.000 Lux draußen bei direkter Sonneneinstrahlung sehen—selbst wenn Sie einen Wert von 30.000 Lux oder mehr erwarten. Dies ist nützlich, wenn Sie ein Messgerät verwenden. So wie die Länge eines Lineals nicht die gesamte Länge eines Fußballfeldes widerspiegeln kann—oder ein Küchenthermometer uns nicht die Temperatur der Sonnenoberfläche mitteilen kann—, können viele digitale Messwerkzeuge keine vollständige Palette möglicher Messungen bereitstellen.
Mehr zu erforschen
Verständnis Beleuchtungsstärke: Was ist in einem Lux?, von All About Circuits
Inverse Square Law, Licht, von Hyperphysik an der Georgia State University
Empfohlene Lichtstärken (Beleuchtungsstärke) für Außen-und Innenräume (pdf), von National Optical Astronomy Observatory
Wissenschaft mit einem Smartphone: Dezibel Meter, von Scientific American
STEM Aktivitäten für Kinder, von Science Buddies
Diese Aktivität brachte Ihnen in Partnerschaft mit Science Buddies