Die Transitmethode – Einsatz von Smartphones in Experimenten zur Suche nach Exoplaneten
Sebastian J. Spicker1 & Alexander Küpper2
1 Hochschule für Musik und Tanz Köln, 2 Gymnasium der Stadt Frechen
Überblick
| Schwierigkeitsgrad | Anfänger und Fortgeschrittene |
| Vorbereitungsaufwand | wenig bis mittel |
| Fächer | Physik und Astronomie |
| Durchführungsdauer/Zeitaufwand | Doppelstunde, Stationenlernen/Projektarbeit |
| Zielgruppe | 7.-10. Klasse |
| Themengebiet | Astronomie, Exoplaneten, Extra-terrestrisches Leben, Licht und Schatten, Sonnenfinsternis, Sehvorgang |
| Ziele | Als Demonstrationsexperiment: Die Lernenden erarbeiten und beschreiben die Grundprinzipien der Transitmethode als „Mini-Sonnenfinsternisse“…… und können die einzelnen Phasen des durch die Lehrkraft durchgeführten Analogieexperiments begründet der Intensitäts-Zeit-Messkurve zuordnen. Als Schülerexperiment zusätzlich: Die Lernenden planen und führen ihr eigenes Experiment zur Transitmethode durch. |
| Kompetenzbereiche | Erkenntnisgewinnung: (Planung, Durchführung und) Auswertung eines geeigneten Transit-Experiments. Umgang mit Fachwissen: Nutzung des vorliegenden Fachwissens zu Sonnenfinsternissen (zur Planung des Experiments). Kommunikation: Begründete Zuordnung der einzelnen Phasen des Experiments zur Messkurve.Beschreibung und Begründung von Modellgrenzen.Präsentation und Diskussion der einzelnen Ansätze/Experimente. |
Worum geht es?
Lernende nutzen Smartphones in vielen Fällen bereits für die Lösung von (Haus-)Aufgaben, daher ist es lohnend, dieses Nutzungsverhalten auch im Unterricht explizit aufzugreifen. Die meisten modernen Smartphones enthalten genaue Sensoren und sind somit ideale Experimentwerkzeuge, die im Klassenraum bereits zur Verfügung stehen und nicht mehr kostenintensiv beschafft werden müssen. Mit Hilfe der kostenlosen App phyphox[1] können diese Sensoren angesteuert und es können automatische Messungen, Rechnungen und Visualisierungen durchgeführt. Dies reduziert nicht nur den cognitive load[2], sondern ermöglicht den Schülerinnen und Schüler auch, sich in einem ersten Schritt auf qualitative Zusammenhänge zwischen dem Beobachteten und den automatisch ausgewerteten Daten zu fokussieren. Verständnisfördernd kann eine zusätzliche Videographie von Experiment und den Vorgängen auf dem Smartphone-Bildschirm eingesetzt werden, da so der Vorteil einer Simulation mit dem Realexperiment kombiniert wird. Das Video kann zu jedem Zeitpunkt angehalten sowie vor- und zurückgespult werden, sodass einzelne Phasen des Experiments gezielt untersucht und dem Graph(enverlauf) zugeordnet werden können.
In dem vorgestellten Analogieexperiment schlüpfen die Lernenden in die Rolle von Astrophysikerinnen und Astrophysikern und lernen, wie Exoplaneten anhand der Analyse einer Intensitätskurve gefunden werden können. Dazu lassen die Schülerinnen und Schüler einen Planeten (rundes Objekt) um einen Stern (Lichtquelle) rotieren und untersuchen mit phyphox und einem der vorbereiteten phyphox-Experimente die Lichtkurve als Intensitäts-Zeit-Diagramm. Fortgeschrittene Lernende diskutieren im Sinne von Binnendifferenzierung zusätzlich, welche Eigenschaften eines Exoplaneten aus der Lichtkurve abgeleitet werden können.
Es stehen zwei Varianten zur Verfügung: In der grundlegenden Variante wird nur der Graph dargestellt und das qualitative Verständnis der Transitmethode steht im Vordergrund. In der fortgeschrittenen Variante werden zusätzliche Parameter (Transittiefe, Transitdauer und die Dauer eines Jahres) automatisch berechnet.
Vorwissen
Technisches Vorwissen
Grundkenntnisse zur Bedienung von Apps, Scannen von QR-Codes; bei Verwendung eines externen Sensors oder Bluetooth Multimeters zusätzlich: Herstellen einer Bluetooth-Verbindung; Hilfe erfolgt durch die Lehrkraft und/oder gestufte Lernhilfen
Fachliches Vorwissen
Grundlagen zum Sehvorgang, Schattenentstehung und zur Entstehung einer Sonnenfinsternis sind von Vorteil.
Ausstattung
Geräte und Materialien
| Geräteanzahl | Betriebssystem | Gerätetyp |
| ✓ nur Lehrkraft (im Demonstrations- experiment) ✓ 1 Gerät pro Gruppe (im Rahmen eines Stationenlernens) ✓ 1:1-Ausstattung (als Schülerexperiment) | ✓ Android ✓ iOS (mit Arduino oder externem Sensor oder Multimeter) (✓) Windows, Mac, Linux (Versuch kann über ein weiteres Endgerät ferngesteuert werden) | ✓ Smartphone ✓ Tablet (✓) Notebook/PC (als Fernbedienung) |
Zur Versuchsdurchführung wird pro Versuchsaufbau mindestens eine Lichtquelle (Stern) und mindestens eine (Styropor-)Kugel (Planet) benötigt. Soll die Rotationsbewegung um den Stern möglichst gleichmäßig/periodisch erfolgen, kann der Planet an einem langsam drehenden Motor, Plattenspieler, Akkuschrauber oder auf einer Spielzeugeisenbahn [3] befestigt werden.
Zusätzliche Materialien/gestufte Lernhilfen zur Bedienung der App/des Sensors und zur Versuchsdurchführung können, je nach Vorwissen der Schülerinnen und Schüler, bereitgestellt werden.
Das Experiment kann mit jedem Android-Smartphone direkt durchgeführt werden. Bei der Verwendung eines iOS-/iPadOS-Gerätes ist darauf zu achten, dass im Falle der phyphox-Nutzung ein externes Bluetooth-Low-Energy Gerät benötigt wird; im Falle des vorgestellten Experimentes werden ein Arduino Nano 33 BLE Sense, ein Texas Instruments SensorTag sowie ein OWON B35T Bluetooth Multimeter direkt unterstützt.
Software
| App bzw. Programm | Kosten | Kompatibilität | Funktion | Internet benötigt? |
| phyphox | Kostenlos | iOS, Android | – Aufnahme der Messdaten Automatische – Berechnung von Parametern – Echtzeit-visualisierung der Messdaten | Nein* |
| Foto-/Kamera-App | Kostenlos (proprietär) | iOS, Android | – Videographie der eigenen Versuchs- durchführung | Nein |
*Für den Download der phyphox-App und der Transit-Experimente wird kurzzeitig eine Internetverbindung benötigt. Für die Durchführung und Auswertung wird keine Internetverbindung benötigt.
Eine Durchführung mit anderen Werkzeugen zur Messwerterfassung und -Darstellung ist ebenfalls möglich. Beispiele: Pasco SPARKvue App in Verbindung mit Pasco Wireless Light Sensor, PocketLab App mit PocketLabs Voyage, OWON Multimeter App mit einer an ein OWON Bluetooth Multimeter angeschlossenen Solarzelle. Dort stehen jedoch jeweils nur die herstellereigenen Funktionen zur Verfügung (z.B. Zeichnen einer Messkurve), sodass lediglich eine qualitative Analyse der Lichtkurve (im Sinne der einfachen Variante) erfolgen kann.
WebRessourcen
Videos zur Durchführung:
https://youtube.com/playlist?list=PLjyQt2L5VTZCqzoievH5rvF4cLjhAxbMG
Ausführliche Beschreibung und Anleitung zur Nutzung von Arduino und phyphox:
https://astro-lab.app/arduino-und-phyphox/
Einsatz im Unterricht
Der Einsatz im Unterricht ist auf vielfältige Art und Weise als Schüler-, Demonstrationsexperiment oder in Gruppenarbeit möglich.
Wie geht das?
Vorbereitung im Klassenraum: Für jeden Aufbau werden eine Lichtquelle (Stern) sowie ein oder mehrere an einer Halterung befestigte Kugeln (Planeten) benötigt. Es eignen sich Garten- bzw. Kugelleuchten für den Stern sowie verschieden große Styropor-Kugeln für die Exoplaneten. Als Halterung eignen sich Zahnstocher oder dünne Holzstäbe (vgl. Abb. 1). Die Bewegung des Exoplaneten um den Stern kann auf verschiedene Arten realisiert werden. Einerseits kann ein langsam drehender Motor verwendet werden, an dessen Arm die Planeten befestigt werden können und somit langsam und gleichmäßig um den Stern kreisen.
Sollten langsam drehende Motoren nicht in ausreichendem Maße zur Verfügung stehen, eignen sich diverse DIY-Aufbauten. So können die Exoplaneten zum Beispiel auf dem Plattenteller eines Schallplattenspielers, an einer an einem Akkuschrauber befestigten Leiste oder auf einer Spielzeugeisenbahn befestigt werden. Die Drehzahl sollte entsprechend gering gewählt oder mit den Lernenden besprochen werden, um das Modell mit der Realität zu vergleichen. Im Bereich DIY kann es lohnen, die Lernenden in die Planung des Experiments miteinzubeziehen, um die Identifikation mit dem Experiment und dadurch das Interesse zu erhöhen. Der geringste Aufwand stellt eine Bewegung des Planeten von Hand dar (vgl. Abb. 2).
In diesem Fall sollten die Lernenden auf eine besonders gleichmäßige Bewegung hingewiesen werden, um der Realität bestmöglich zu entsprechen.
Vorbereitung am Smartphone: Zunächst wird bei aktiver Internetverbindung die App phyphox auf das Smartphone geladen (Link: https://phyphox.org/download/), was sowohl unter iOS als auch Android kostenlos möglich ist. Sollte in der Schule eine hinreichende WLAN-Abdeckung bestehen, kann dies auch gemeinsam mit den Lernenden erfolgen. Beide Apps sind direkt im jeweiligen Store zu finden. Nach erfolgreicher Installation wird über den Reiter „Experiment hinzufügen“ (Abb. 3a) der QR-Code (Abb. 3b) gescannt und die Experimentsammlung (Abb. 4a) in phyphox gespeichert.
Die Experimente stehen ab dann in phyphox unter der Kategorie „Astronomie“ für die Offline-Nutzung zur Verfügung (Abb. 4b).
Nachdem die Vorbereitung abgeschlossen ist und je nach Unterrichtsplanung, Stundenumfang oder Leistungsniveau entweder die grundlegende oder die fortgeschrittene Variante [5] gewählt wurde, können diese wie folgt umgesetzt werden: Die einzelnen Komponenten werden in einem geeigneten Abstand voneinander entfernt aufgebaut (vgl. Abb. 1, Vorbereitung im Klassenraum). Es ist darauf zu achten, dass der Lichtsensor in Richtung Stern bzw. das Smartphone-Display in Richtung des Versuchsaufbaus zeigt.
Durchführung der einfachen Variante: Das einfache Experiment „Transitmethode“ wird in phyphox unter der Überschrift Astronomie geöffnet (vgl. Abb. 4b). Die Messung in phyphox wird über das Abspielsymbol ▶ gestartet. Ab diesem Zeitpunkt werden die aktuellen Intensitätswerte von phyphox erfasst und automatisch visualisiert, während der Planet um den Stern rotiert (wird). Eine Beispielhafte Messkurve ist in Abb. 5 dargestellt.
Die einfache Variante des Transit-Experiments eignet sich vor allem für die Erarbeitung grundlegender qualitativer Zusammenhänge, wie zum Beispiel dem Verständnis von Exoplaneten-Transits als „Mini-Sonnenfinsternisse“ und wie mit Hilfe der Lichtkurve Rückschlüsse auf die mögliche Existenz eines um einen Stern rotierenden Exoplaneten gezogen werden können.
Durchführung der fortgeschrittenen Variante: Das fortgeschrittene Experiment „Transitmethode – erweitert“ wird in phyphox unter der Überschrift Astronomie geöffnet (vgl. Abb. 4b). Dann wird zunächst der Reiter „Auslösebedingung“ ausgewählt und es wird im späteren Messabstand zur Lichtquelle das Leuchtstärkenmaximum der Lichtquelle (Stern) bestimmt. Daraufhin wird die Messung über das Papierkorb-Symbol zurückgesetzt und im Feld „Schranke für die Transitmessung“ der zuvor gemessene Wert eingetragen (Abb. 6).
Dadurch wird die Auslösebedingung für die optische Stoppuhr festgelegt, welche während des Experiments die Zeit misst, in der das Leuchtstärkenmaximum unterschritten wird (spätere Transitdauer).
Nun wird auf den Reiter „Beleuchtungsstärke“ zurückgewechselt und die Messung über das Abspielsymbol gestartet. Ab diesem Zeitpunkt werden die aktuellen Helligkeitswerte von phyphox erfasst, ausgegeben, automatisch visualisiert und ausgewertet, während der Planet um den Stern rotiert (wird).
Dabei stellt der Reiter „Beleuchtungsstärke“ eine Erweiterung der einfachen Variante dar, indem zusätzlich zum I(t)-Diagramm die Messdauer, Maximale und Minimale Beleuchtungsstärke sowie Transittiefe ausgegeben werden (Abb. 7a). Im Reiter „Transitdauer“ wird der Zeitraum der Verdunklung des Sensors entsprechend der Auslösebedingung gemessen, was der Dauer der durch den Planetenumlauf verursachten „Mini-Sonnenfinsternis“ entspricht (Abb. 7b). Dabei wird der „nullte“ Transit vernachlässigt, da sich zu Messbeginn der Planet zufällig bereits vor dem Sensor befinden könnte. Zusätzlich wird im Reiter „Umlaufzeit“ (Abb. 7c) die Zeit zwischen zwei Verdunkelungen (Transits) gemessen und entsprechend als Dauer eines Jahres auf dem Planeten ausgegeben.
Die fortgeschrittene Variante eignet sich als ausführliche, quantitative Ergänzung zur einfachen Variante, vor allem für die vertiefende Betrachtung der Transitmethode und der daraus ableitbaren Zusammenhänge.
Videographie und Auswertung: Vor allem bei der erweiterten Variante des Experiments ist der kognitive Anspruch, also die einzelnen Phasen des Experiments begründet der Messkurve/den Ergebnissen zuzuordnen, an die Lernenden hoch. Durch eine von den Lernenden durchgeführte Videographie der Durchführung, kann das Experiment gezielt auf Einzelheiten analysiert werden; zum Beispiel: wie verändert sich die Lichtkurve, wenn der Planet zwischen Stern und Sensor ist?
Dazu wird das Experiment, wie zuvor beschrieben, aufgebaut und durch ein weiteres Smartphone (oder Tablet) ergänzt, welches so angeordnet wird, dass sowohl die Durchführung als auch die Messwerterfassung auf dem späteren Video zu sehen ist (Abb. 8a/b) [6]. Erfahrungsgemäß ist es von Vorteil, die höchstmögliche Aufnahmequalität zu wählen, da so der Bildausschnitt nachträglich noch verschoben/gezoomt werden kann, um einzelne Details herauszustellen.
Durch diesen gezielten Videoeinsatz werden die Schülerinnen und Schüler im Verständnis unterstützt, da sie zu jedem Zeitpunkt anhalten sowie vor- und zurückspulen können und bei Rückfragen ihre konkreten Beobachtungen auch mit der Lehrkraft besprechen können. Außerdem können so die Ergebnisse (im Plenum) verglichen und in Je-mehr-desto-Sätzen (z.B.: „Je mehr Schatten durch den Planeten auf den Sensor geworfen wird, desto niedriger ist die gemessene Intensität“) gesichert werden.
Wie kann ich das in meinen Unterricht übertragen?
Für die Nutzung im Unterricht sind unter anderem die folgenden Einstiege möglich: Entweder wird das Demonstrations-Experiment vorgegeben, von welchem das Modell in die Realität entwickelt wird. Dabei erkennen die Schülerinnen und Schüler Exoplaneten-Transits als „Mini-Sonnenfinsternisse“ und bringen die Verdunklungs-Kurve mit den Transits des Planeten in Verbindung. Schließlich verstehen die Lernenden so, wie mit Hilfe der Transitmethode Exoplaneten gefunden werden können.
Oder es wird ein phänomenologischer Einstieg über die Sonnenfinsternis und Schattenentstehung gewählt. Bei diesem wird zunächst die Sonnenfinsternis im eigenen Sonnensystem betrachtet. Davon ausgehend wird anhand von Sonnenfinsternissen und ähnlichen Schattenphänomenen bei Sternen in anderen Systemen das Experiment (selbstständig) erarbeitet und von den Lernenden durchgeführt. Die Lichtkurve wird diskutiert, in einem Rückschluss mit Sonnenfinsternissen in unserem Sonnensystem verglichen und schließlich wird die Transitmethode als eine geeignete Methode zur Entdeckung von Exoplaneten erarbeitet.
Für die vertiefende Betrachtung können die Experimente mit verschieden großen Sternen und Planeten in unterschiedlichen Abständen zueinander wiederholt werden. Wird außerdem die Bahnbewegung in verschiedenen Winkeln zum Smartphone (Sensor) ausgeführt, können dadurch die Inklination und die damit verbundenen Grenzen der Methode thematisiert werden.
Anknüpfungspunkte bestehen ferner zu folgenden Themenbereichen: Kreis- und Bahnbewegung, Sehvorgang, Schatten.
Was muss ich beachten?
Unter Berücksichtigung des sozio-ökonomischen Status sollte überlegt werden, ob in der jeweiligen Klasse eine Durchführung als Schülerexperiment oder Demonstrationsexperiment geeignet ist, oder das Experiment im Rahmen einer Gruppenarbeit realisiert werden kann, um Benachteiligung zu vermeiden, da pro Experimentaufbau (a) ein Smartphone benötigt wird bzw. (b) im Falle von Durchführung und Videographie zwei Smartphones benötigt werden.
Insgesamt sollten vor allem für die Durchführung als Gruppenarbeit genügend Materialien vorhanden sein, damit die Schülerinnen und Schüler verschiedene Varianten (Planeten, Abstände) ausprobieren können. Beispielhafte (Einkaufs-)Liste pro Aufbau:
- Kugelleuchte (z.B. Gartenleuchte),
- verschiedengroße Styroporkugeln,
- Zahnstocher/Holzspieße,
- Smartphone,
- Befestigung Smartphone (bastelbar aus Kartonage),
- langsam drehender Motor, Spielzeugeisenbahn, Akkuschrauber;
alternativ: Bewegung aus der Hand, - ggf. Arduino oder andere Sensoren oder Bluetooth Multimeter mit Solarzelle.
Auch sollte darauf geachtet werden, dass die Refreshrate des Sensors nicht geringer als die Drehzahl der Planeten um den Stern sein sollte, da sonst Transit-Verdunkelungen „verloren“ gehen könnten, was zu Ungenauigkeiten in den Daten führen würde. Die Refreshrate der Helligkeits-Sensoren ist bei modernen Geräten in der Regel hoch genug und kann zur Sicherheit über die phyphox-Sensordatenbank [7] abgeglichen werden.
Um Fehlvorstellungen vorzubeugen, nimmt die Ergebnissicherung/Nachbereitung eine wichtige Rolle ein, um die (selbstständig) durchgeführten Experimente mit der Realität abzugleichen, kritisch zu hinterfragen und somit die Grenzen der Methode (z.B. Inklination) zu thematisieren.
Material für den Unterricht
Weiterführende Materialien
Weiterführende smartphone-gestützte als auch klassische Experimente und Schülerlabor-Materialien sowie an das Themenfeld anknüpfende Open Educational Ressources für den Einsatz im Unterricht sind hier bzw. über den Menüpunkt „Experimente“ abrufbar.
Weiterführende Literatur
Born, R. (2017). PocketLab Voyager: How to Discover an Exoplanet. thepocketlab.com. [Website] https://archive.thepocketlab.com/educators/lesson/pocketlab-voyager-how-discover-exoplanet
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (2021). DLR_School_Info „Leben im All“, Exoplaneten. DLR_next, Schülerinformation Heft 5, S. 38-42. https://www.dlr.de/next/PortalData/69/Resources/downloads/9_downloads/Leben_im_All_Schuelerheft_DLR_YAEZ_20210225.pdf
Hoffmann, S.M.: Exoplaneten entdeckt und vermessen im Klassenzimmer, Zeitschrift der MNU 02/2020, Verlag Klaus Seeberger, Neuss, 2020, S. 146-153. https://www.mnu.de/images/publikationen/zeitschrift/Heft_2-20/MNU_Inhalt_2_2020_Abstracts.pdf
Küpper A. & Spicker, S. J. (2022, eingereicht). Die spannende Suche nach Exoplaneten mit Analogieexperimenten thematisieren. Unterricht Physik.
Spicker, S. J. & Küpper, A. (2022). astro-lab@school: ein Schülerlabor 2.0 für den Physik- und Astronomieunterricht. Astronomie + Raumfahrt im Unterricht, 59 (1), S. 16-21. https://elibrary.utb.de/doi/pdf/10.5555/ar-185-2022_04
[1] Physical phone experiments (phyphox) der RWTH Aachen University, phyphox.org.
[2] Siehe zum Einsatz mobiler Geräte zur Verbesserung von forschungsbasierten Lernprozessen: Becker, S., Klein, P., Gößling, A., & Kuhn, J. (2020). Using mobile devices to enhance inquiry based learning processes. Learning and Instruction, 69, 101350. https://doi.org/10.1016/j.learninstruc.2020.101350
[3] Vgl. weiterführende Literatur.
[4] Aufgenommen von einem iPhone. Sollte der interne Lichtsensor des Smartphones nicht zur Verfügung stehen, ist das Experiment ausgegraut.
[5] Vgl. weiterführende Literatur.
[6] In diesem Sinne können auch weitere Experimente mit anderen Messwerterfassungssystemen videographiert und ausgewertet werden.
[7] phyphox Sensor Database: phyphox.org/sensordb/.