Der Computer kann im Physikunterricht nicht nur als „Schreibmaschine“ und als Rechner bzw. wie im vorhergehenden Kapitel dargestellt zur Simulation physikalischer Prozesse, sondern auch zum Einsatz bei der Durchführung und Auswertung von Experimenten benutzt werden, dem sogenannten computerunterstützten Experimentieren. Dabei hat der Computer viele nützliche Funktionen: Der Computer wird zur Messdatenerfassung, zur Messdatenaufbereitung wie das Erstellen von Tabellen und Graphen, zur Auswertung von Messdaten und zur Speicherung von Messdaten verwendet. Diese Funktionen sollen nun kurz dargestellt werden:

1.1.                     Einsatzgebiete des Computers im Physikunterricht:

Heute ist der Computer für Physiker in Forschung und Industrie ein nicht mehr wegzudenkendes Hilfsmittel. Auch Kinder und Jugendliche verbringen ihre Zeit immer mehr mit dem Computer und haben daher schon einige Erfahrung mit dem Medium Computer gesammelt. Daher sollen sich auch Lehrer nicht vor dem Medium Computer verschließen und diesen mit in die Unterrichtsplanung einbeziehen, denn es gibt viele Möglichkeiten, den PC gewinnbringend im Physikunterricht einzusetzen. Im Folgenden sollen nun diese kurz dargestellt werden.

a) Messwerterfassung mit dem Computer:

Die Messwerterfassung mit dem Computer ermöglicht viele neue Messmethoden. Ein Ziel des Physikunterrichts sollte sein, den Schülern unterschiedlich Messmethoden zu demonstrieren, d.h. nicht nur die herkömmlichen Methoden im Unterricht, sondern eben auch neue, automatische Messwerterfassungsmethoden wie mit dem PC. Aber es gibt auch viele Situationen, bei denen herkömmliche Messmethoden nicht mehr greifen oder sehr zeitaufwendig und kompliziert sind, die mit Hilfe der Messwerterfassung mit dem PC sehr gut ausgewertet werden können. Gewinnbringend ist der Einsatz daher bei:

• der Aufnahme von Messwerten in kurzer Zeit (z.B. Induktion einer Spule)
• Messreihen über längere Zeiträume (Aufnahme einer Zeit-Temperatur-Kurve)
• fehlenden Geräten (da ihre Anschaffung sehr teuer ist (z.B. Speicheroszilloskop)
• Weiterverarbeitung der Messwerte mit dem PC

Die Erfassung der Messwerte geschieht meist mit einem Interface (z.B. Lab Jack U12) und einer dafür geeigneten Software (z.B. LabVIEW). Es gibt aber auch andere Möglichkeiten der Messwerterfassung, z.B. mit Hilfe einer Videokamera.

b) Auswertung der Messergebnisse:

Bei der Auswertung von Versuchsergebnissen im Physikunterricht ergeben sich zwei Probleme: Entweder man verwendet nur wenige Messergebnisse, um diese noch rechnerisch handhaben zu können, oder man muss bei einer großen Anzahl von Messergebnissen auf Grund von Zeitmangel auf eine exakte Auswertung verzichten. Abhilfe kann hier durch den Einsatz eines Auswertungsprogramms geschaffen werden. Der Computer kann viele Messwerte in sehr kurzer Zeit aufnehmen und auch gleich weiterverarbeiten und auswerten. Damit bleibt im Unterricht Zeit, dass die Schüler selbständig nach Lösungswegen und Lösungsformeln suchen. Damit wird den Schülern die Möglichkeit gegeben, eigene Ideen zu entwickeln und zu überprüfen.

c) Graphische Darstellung von Messergebnissen:

Der herkömmliche Einsatz von Oszilloskop und X-Y-Schreiber im Physikunterricht gibt zwar die graphische Darstellung wieder, hat aber nicht nur Vorteile. Beim Oszilloskop hat man nur einen sehr kleinen Bildschirm und auch der X-Y-Schreiber hat nur ein schlecht zu zeigendes Bild. Daher bietet es sich (z.B. bei Spannungsverläufen) an, den PC zur graphischen Darstellung zu benutzen. Mit Hilfe eines Beamers kann man leicht den Bildschirm an die Wand projizieren, so dass jeder Schüler eine gute Einsicht in den graphischen Verlauf erhält.

Ein weiterer Vorteil des Rechners ist, dass man mehrere Messreihen gleichzeitig am Bildschirm darstellen kann. Somit kann man die verschiedenen Messreihen sehr gut vergleichen und auswerten. Man kann auch die Darstellung der Graphen wählen (z.B. kann man die Graphen in unterschiedlichen Farben einzeichnen lassen). Man kann die Messung auch leicht verlangsamen oder beschleunigen.

d) Simulationen:

Dies sind Programme, die eine bestimmte Situation veranschaulichen. Oftmals lassen sich bei solchen Programmen nur die Parameter in bestimmten Bereichen verändern, wobei die „Physik“ schon fest eingebaut ist. Diese Programme eignen sich gut zur Wiederholung oder Vertiefung des behandelten Stoffes an. Auch für die eigentätige Auseinandersetzung mit bestimmten Stoffinhalten bieten sie sich an. Ein wichtige Aufgabe von Simulationen ist die Veranschaulichung von Vorgängen, die man mit bloßem Auge nicht betrachten kann, weil sie zu schnell ablaufen, im mikroskopischen Bereich liegen, oder unsichtbar ablaufen (z.B. Bewegung geladener Teilchen in elektrischen und magnetischen Feldern).

e) Modellbildung:

Der Unterschied zu Simulationen ist bei Modellbildungssystemen, dass hier die „Physik“ erst vom Benutzer selbst eingegeben werden muss. Der Erkenntnisgewinn ist hierbei aber bedeutend größer, da der Benutzer die Tätigkeit der Modellbildung selbst durchführen muss, wobei dies bei Simulationen schon vorweggenommen ist und der Benutzer nicht weiß, was dahinter steckt. Die Modellbildung legt den Schwerpunkt auf die Physik, indem sie den Benutzer mathematische Rechnungen und Formeln abnimmt. Somit kann sich der Benutzer mehr auf die Physik konzentrieren.

f) Steuerungs- und Regelungsprozesse:

Software zum Steuern und Regeln gibt es vor allem in der Industrie und in Berufsschulen. Aber auch kleine und einfache Steuerungsprozesse können mit Hilfe des Computers in der Schule durchgeführt werden, z.B. die Überwachung einer Temperatur. So kann ein kleiner Einblick in die Technologie gegeben werden.

g) Informationsbeschaffung:

Das Internet bietet eine Fülle von Daten und Informationen auch im Hinblick auf die Physik und den Physikunterricht. Man findet viele Seiten, die eine verständliche Darstellung von Sachverhalten liefern. Andere Seiten bieten eine Veranschaulichung von Vorgängen. Auf Seiten der Didaktik-Institute der Universitäten bieten oft auch Links zu anderen interessanten Seiten. Eine weitere Seite, die von Schülern genutzt werden sollte, ist www.leifiphysik.de.

h) Pro und Kontra des Computereinsatzes im Physikunterricht:

Positive Aspekte:

• Mathematische Aspekte treten in den Hintergrund.
• Mehrere Messreihen können in kurzer Zeit und auch gleichzeitig aufgenommen werden.
• Der Computer bietet die Möglichkeit der Aufnahme von schnellen bzw. langsamen Vorgängen.
• Durch Simulationen können selbstgemachte Modelle überprüft werden.
• Die Schüler haben Zeit, eigene Ideen miteinzubringen und diese auch selbst zu überprüfen.
• Der PC bietet bessere Veranschauungsmöglichkeiten und auch Möglichkeiten, bei denen herkömmliche Medien und Messgeräte untauglich sind.
• Ein neues und aktuelles Medium im Physikunterricht bringt Motivation für die Schüler.
• Eine Auswertung in Echtzeit bringt ein besseres Verständnis der Physik für die Schüler.
• Durch das Interface lassen sich teuere Messgeräte ersetzen.
• Durch den Einsatz der computerunterstützten Messwerterfassung erfahren die Schüler moderne Arbeitsmethoden der Physik.

Negative Aspekte:

• Dem Schüler werden durch die maschinelle Auswertung Routinearbeiten, wie z.B. das übertragen einer Messtabelle in ein Diagramm, abgenommen.
• Es wird eine sehr aufwendige Messapparatur verwendet, die von den Schülern nicht verstanden wird (A/D-Wandler, Software).
• Es besteht die Gefahr, dass die Schüler schnell überfordert werden und den Überblick verlieren.

Nun möchte ich noch etwas genauer auf die Punkte Simulation und Informationsbeschaffung eingehen. Die anderen Punkte werden dann später bei der Messwerterfassung und Auswertung mit dem Lab-Jack und mit LabVIEW noch genauer dargestellt.

1.1.1.      Simulationen:

1.1.1.1. Funktion von Simulationen:

Simulationen können im Physikunterricht zwei verschiedene Funktionen haben, entweder können sie reale Physikexperimente ersetzen oder ergänzen. Es gibt auch einige Experimente, die erst durch die moderne Computertechnik und geeigneter Simulationsprogramme Einzug in den Physikunterricht gefunden haben, die ohne diese Hilfsmittel im Unterricht kaum bzw. zu teuer und aufwendig oder gar nicht realisierbar sind. Hierzu wären z.B. Experimente zur Elementarteilchenphysik zu zählen. 

1.1.1.2. Simulation statt Experiment:

Immer dann, wenn man im Physikunterricht das reale Experiment nicht durchführen kann, ist es sinnvoll auf Simulationen zurückzugreifen. Das beste Beispiel hierfür sind Experimente zur Gravitation. Man kann ja schlecht die Planeten ins Klassenzimmer holen, um die Planetenbewegung um die Sonne zu demonstrieren. Daher muss man anhand eines Computer-Simulationsprogramm die Planetenbewegung vorführen, wobei man, falls ein Beamer verfügbar ist, das Monitorbild an die Wand projiziert.

Ein weiteres Beispiel für den Einsatz von Simulationen im Unterricht ist die Demonstration der Entstehung eines Regenbogens. In realen Experimenten kann man zwar einzelne Fakten wie Reihenfolge der Farben, Haupt- und Nebenregenbogen, Beobachtung unter bestimmten Winkeln demonstrieren, jedoch kann man nicht alle Fakten zugleich in einem Experiment darstellen. Um den ganzen Zusammenhang gleichzeitig zu demonstrieren, muss man auf eine Computersimulation zurückgreifen. Dazu kann man z.B. das Programm „regenbogen.exe“ verwenden, das man im Internet kostenlos downloaden kann (Link: http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/download/winprog/regenbc.zip). Das Programm erklärt die Entstehung von Haupt- und Nebenregenbogen und gibt zutreffende Winkel für die Beobachtung an. Einziges Manko des Programms ist, dass es keine Interferenz- und Beugungserscheinungen berücksichtigt.

Für die Beugung am Doppelspalt bietet sich ebenfalls ein Simulationsprogramm an. Hierfür gibt es im Internet ein Programm „doppelspalt.exe“ zum kostenlosen Download (Link: http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/Computer/Doppelspalt/doppelspalt.exe). Mit dem Programm lassen sich die statistischen Auftrefforte von Gewehrkugeln, Photonen und sogar Elektronen, Myonen, Protonen und viele mehr beim Doppelspaltversuch auf einen Schirm darstellen. Es kann weiter die Energie der Teilchen, der Spaltabstand und die Spaltbreite verändert werden. Im folgenden Beispiel habe ich Elektronen mit einer Energie von 100 keV als Quelle, eine Spaltbreite von 600 nm und einen Spaltabstand von 1000 nm verwendet. Das erste Bild zeigt die erhaltene Intensitätsverteilung, das zweite Bild die theoretische Intensitätsverteilung.

1.1.1.3. Simulation als Ergänzung zum Experiment:

Es kann auch sinnvoll sein, im Unterricht neben dem realen Experiment auch noch eine Simulation des vorgeführten Experiments zu zeigen. So bietet z.B. das Simulationsprogramm „laewell“ (Link zum Download unter Literatur) eine sehr gute Möglichkeit den zeitlichen Verlauf von Wellen zu veranschaulichen.

Ein weiteres Simulationsprogramm ist unter http://physicsnet.asn-graz.ac.at/regenbogen/classes/RegenBogen.htm zu finden. Dieses Programm simuliert den Lichtweg in einem Regentropfen, wobei der einfallende Lichtstrahl mit der Maus geändert werden kann.

Unter http://www.schulphysik.de/java/physlet/applets/optik1.html findet man ein Simulationsprogramm zur Linsenoptik. Man kann viele optische Elemente wie Linsen, Spiegel, Blenden und Quellen wählen und den Strahlengang simulieren lassen.

Ein Simulationsprogramm zum Flaschenzug findet man unter http://www.walter-fendt.de/ph14d/flaschenzug.htm

Unter http://www.walter-fendt.de/ph14d/hebel.htm findet man eine Simulation zum Hebelgesetz.

Unter http://www.walter-fendt.de/ph14d/index.html findet man noch viele weitere kleine Applets z.B. zum Schweredruck und zur Auftriebskraft in Flüssigkeiten oder zu den Keplerschen Gesetzen. Viele weitere Simulationen zu allen Bereichen der Physik findet man unter www.schulphysik.de.

1.1.1.4. Vorteile von Simulationen:

Der Einsatz von Simulationen im Physik-Unterricht bringt einige Vorteile:

a)      Es gibt Experimente, die ohne Simulationen im Unterricht nicht durchführbar sind, da sie entweder zu aufwendig, zu teuer oder zu gefährlich sind (z.B. Kernspaltung). Hier bietet sich somit ein geeignetes Simulationsprogramm an.

b)      Ein weiterer sehr großer Vorteil von Simulationen ist die einfache Variation der Parameter. (auch in Größenordnungsbereichen, die in der Realität nicht mehr erreichbar sind, z.B. Reibungsfreiheit)

c)      Simulationen könne auch meist beliebig oft in kurzer Zeit wiederholt werden.

d)      Bei Schülerversuchen mit Simulationen brauchen die Schüler keine Angst davor haben, teuere Messgeräte und Instrumente kaputt zu machen.

e)      Bei Simulationsprogrammen, die aus dem Internet downloadbar sind, können die Schüler auch zu Hause mit dem Programm arbeiten.

             .     

1.1.2. Nutzung des Internets:

1.1.2.1. Erstellen von Internetseiten:

Anhand von Internetrecherchen und der Erstellung einer Website kann man im Unterricht und in der Schule viele Lernziele umsetzen. Schüler erlangen durch die selbstständige Entwicklung von Internetseiten und HTML-Präsentationen der physikalischen Phänomene und Gesetze ein tiefes Verständnis der Materie. Die Schüler sind bei solchen Projekten meist sehr motiviert und voll bei der Sache. Diese Motivation der Schüler soll doch sicherlich auch für den Physikunterricht genutzt werden.

Folgende Lernziele im Hinblick auf Physikunterricht und Internet sind hier zu erwähnen:

Die Schüler sollen

a)      Informationen zu einem bestimmten Sachverhalt im Internet finden.

b)      diese Informationen auf deren Wahrheitsgehalt prüfen und bewerten.

c)      diese Informationen schülergerecht auf der Website darstellen.

d)      selbstständig Probleme des Physikunterrichts erarbeiten.

e)      andere Fächer und deren Aspekte mit einbeziehen.

Um Internetseiten erstellen zu können, muss man zuerst wissen, welche Sprache und Programme man verwenden muss. Die „Sprache des Internets“ ist HTML. HTML bedeutet Hypertext Markup Language. Diese bietet eine enorme Vielfalt von Möglichkeiten zum Einbinden von Texten, Bildern, Grafiken und sogar Musik- und Videodateien. Mit Hilfe von HTML können also Webseiten erstellt werden. Das wichtigste an Webseiten sind allerdings die Links, die Verknüpfungen auf andere Seiten, die es erlauben schnell und einfach von einer auf eine andere Seite zu springen.

HTML und das WWW wurde 1990 von dem Amerikaner Tim Berners-Lee im Kernforschungsinstitut CERN in der Schweiz erfunden. Vorläufersprachen gab es bereits seit 1965. Zusammen mit HTML entwickelte Tim Berners-Lee auch den ersten Kommandozeilen-Browser für dieses "World-Wide Web", das durch die Links zwischen den Seiten entsteht. Der erste grafische Webbrowser wurde 1993 erfunden und brachte den Siegeszug des Internet.

Nun benötigt man zum Erstellen von HTML-Dateien bestimmte Programme, genauso wie man für DOC-Dateien ein Text-Programm (z.B. Word) benötigt. Diese Programme sind in den letzten Jahren immer zahlreicher und vielfältiger geworden. Man nennt diese Programme zur Erstellung von Webseiten HTML-Editoren. Diese Editoren sind heute auch schon sehr einfach zu bedienen, so dass diese in Unterricht und Schule behandelt werden können. Somit steht das Internet offen, um physikalische Inhalte auf Webseiten zu präsentieren. Der Vorteil von solchen Internetseiten ist, dass die Schüler wo und wann sie wollen auf diese Seiten und Themen zurückgreifen können. Die Schüler lernen somit beim Umgang mit dem Internet auch gleich die Beschreibung physikalischer Gegebenheiten, was ein oberstes Lernziel des Physikunterrichts ist.

1.1.2.2. Das Internet als unerschöpfliche Quelle:

Das Internet dient heutzutage neben Büchern als ideale Quelle für Fachinformationen. Bei Büchern muss man aber oft erst lange Bibliotheksarbeit leisten, bis man geeignete Informationen gefunden hat. Hier liegt der Vorteil des Internets. Mit Hilfe von Suchmaschinen (z.B. www.google.de) kann man sehr leicht und schnell an Fachinformationen zu gesuchten Themen gelangen. Man gibt auf der Internetseite der Suchmaschine einfach den gewünschten Suchbegriff ein, und schon erhält man eine Liste gefundener Links zu diesem Schlüsselbegriff. Man kann auch mehrere Suchbegriffe gleichzeitig eingeben. Eine weitere Möglichkeit, an Informationen zu gelangen, ist über bekannte URLs, z.B. www.schulphysik.de oder www.leifiphysik.de. Einziger Nachteil liegt hier, dass es auch Seiten im Internet gibt, die keine korrekten Daten liefern, und der Schüler – im Gegensatz zum Lehrer – oft nicht erkennen kann, ob es sich um valide Daten handelt oder nicht, da er über weniger Fachwissen verfügt. Denn wenn der Schüler es schon wüsste, müsste er ja nicht mehr suchen! Im folgenden soll nun eine kleine Liste mit Internetseiten angegeben werden, die man für das Auffinden von physikalischen Fachwissen verwenden kann:

a) allgemeine Suchmaschinen: www.google.de, www.altavista.de, www.fireball.de

b) fachspezifische Suchmaschinen: www.pro-physik.de, www.weltderphysik.de

c) Webseiten zu bestimmten Themen: www.quanten.de, www.photon.de

d) Webseiten für Schüler und Lehrer: www.schulphysik.de, www.leifiphysik.de

Bevor aber nun das Messen mit Hilfe des Computers näher erläutert werden kann, müssen erst einmal ein paar technische Grundlagen des Aufbaus und der Funktionsweise eines Computers und der Übertragungstechnik geklärt werden, d.h. es wird nun im Folgenden erklärt, wie die Messdaten bzw. Messwerte überhaupt in den Computer hinein kommen.

1.2.                     Die Analog-Digital-Wandlung und die Digital-Analog-Wandlung:

1.2.1.      Der Aufbau eines Computerarbeitsplatzes:

Zur Durchführung der computerunterstützten Messwerterfassung benötigt man einen Computer, ein Messinterface, das die Messwerte computergerecht aufbereitet und eine geeignete Software (Messwerterfassungsprogramm). Bei physikalischen Messungen handelt es sich meist um analoge Daten. Der Computer verarbeitet hingegen nur digitale Daten. Um diese analogen Daten in digitale Daten zu transferieren, wird das Messinterface benötigt. In dem Interface ist ein sogenannter Analog-Digital-Wandler eingebaut, der analoge Spannungswerte in digitale Werte umsetzt. Daher können die meisten Interfaces nur Spannungen messen. Um nun aber andere Größen (wie z.B. Stromstärke, Widerstand) ebenfalls messen zu können, braucht man zusätzliche Geräte, Bauelemente und Sensoren (z.B. Widerstände, Temperaturfühler, Drucksensoren,…). Diese Geräte wandeln die Größen, die man messen will (z.B. Druck, Temperatur), in ein elektrisches Signal, eine elektrische Spannung, um.

Wie dies nun im einzelnen funktioniert, soll nun im Folgenden beschrieben werden.

1.2.2.      Der Aufbau eines Computersystems:

Computer sind Geräte, die Informationen in Form von Zahlen lesen, bearbeiten und schreiben können. Jeder Computer besteht aus drei prinzipiellen Baugruppen: Eingabe-Teile, Verarbeitungsteile und Ausgabe-Teile.
 

Eingabe-Teile:

Zu den Eingabe-Teilen gehören alle die Teile, aus denen der Computer Informationen herauslesen kann. Dazu zählen z.B. Tastatur, Diskette, CD-Rom, DVD, Maus, RAM, USB-Eingabegeräte wie USB-Stick und Speicherkarten zusammen mit Kartenlesegeräten.

Verarbeitungsteile:

Für die Verarbeitung der Daten sind Prozessor und Coprozessor zuständig. Der Prozessor kann zahlen aus dem Speicher lesen und auch wieder Zahlen in den Speicher schreiben. Die Verarbeitungsteile werden auch mit CPU bezeichnet, was die Abkürzung für Central Processing Unit (auf deutsch: zentrale Recheneinheit) ist.

Ausgabe-Teile:

Zu den Ausgabe-Teilen gehören alle Teile, an die der Prozessor Informationen senden kann. Dies sind z.B. Drucker, Monitor, Festplatte, Diskette, CD-RW, DVD, RAM, Modem, USB-Stick.

Festplatte

1.2.3.      Das Speichermodell:

Speichermodell eines Computers

Man kann sich den Prozessor als Verwalter von Informationen, die im Computer als Zahlen gespeichert werden, vorstellen. Dabei kann man sich den Computer am besten mit einem „Schubladenmodell“ vorstellen: Man stellt sich vor, dass es in einem PC viele „Schubladen“ gibt, in die der Prozessor Zahlen hineinlegen, diese lesen und bearbeiten kann. Man nennt diese „Schubladen“ im Computer Speicher. Die Schubladen im Computer werden zur Unterscheidung durchnummeriert. Diese Zahl nennt man „Adresse“. In einem PC gibt es drei verschiedene Arten von Speicher („Schubladen“):

ROM:

Read Only Memory.
Aus diesem Speicher kann nur gelesen werden.

RAM:

Read Access Memory (Schreib-/Lese-Speicher).
In diesen Speicher kann nur der Prozessor Zahlen hineinschreiben und herauslesen.
Die heutigen Computer haben schon meist einen RAM-Speicher von 256 MB und mehr. 256 MB RAM heißt, dass 256 ∙ 10⁶ „Schubladen“ vorhanden sind.

DDR-Ram-Modul

I/O:

Input/Output (Eingabe-/Ausgabe-Speicher).
Diesen Speicher können nun der Prozessor, aber auch die externen Geräte benutzen. Über diesen Speicher können Informationen von der Außenwelt in den Computer hineingebracht werden bzw. vom Computer zur Außenwelt geschickt werden.

1.2.4.      Die Funktionsweise der Wandlung:

Wie oben beschrieben, kann der Computer nichts anderes als Zahlen lesen, bearbeiten, schreiben und speichern. Im allgemeinen lassen sich Zahlen mit verschiedenen Zahlensystemen unterschiedlich darstellen. Wir benutzen normalerweise das Zehnersystem. Es gibt aber auch andere Zahlensysteme wie z.B. das Hexadezimalsystem oder das Binärsystem. Der Computer benutzt gerade das letztgenannte Zahlensystem, das Binärsystem. Die beiden möglichen Ziffern einer Zahl im Binärsystem sind die Null und die Eins. Diese beiden Werte lassen sich elektronisch durch zwei sehr verschiedene Potentialwerte realisieren, den sogenannten „Low“-Pegel (tiefe elektrische Spannung, meist 0 Volt) und „High“-Pegel (hohe elektrische Spannung, oft 5 Volt oder 12 Volt). In jede „Schublade“ münden acht elektrische Leitungen. Jede dieser Leitungen kann die Zustände „high“ und „low“ annehmen. Eine Ziffer einer Binärzahl heißt „Bit“, 8 Bit nennt man ein „Byte“. Hat eine Leitung den Zustand „high“, so schreibt man eine „1“ in das dazugehörige Kästchen, bei „low“ eine „0“ (siehe Abb.). Bei der Dezimalzahl 70 werden z.B. drei Leitungen auf +5 V geschaltet, die anderen haben 0 V (Die Zahl 70 ist im Binärsystem die Zahl 01000110, d.h. 2¹ + 2² + 2⁶ = 2 + 4 + 64 = 70, siehe Abb.).

Die Werte physikalischer Größen sind meist kontinuierlich verteilt. Diese Werte werden von Messgeräten erfasst, die dann ein analoges Signal (z.B. elektrische Spannung) liefern. Dabei erhält man im Prinzip unendlich viele Messwerte. Bei der Analog-Digital-Wandlung (A/D-Wandler) muss man nun dieses analoge Signal digitalisieren, d.h. durch eine endliche Binärzahl ausdrücken. Dabei werden analoge Werte zwangsweise in diskrete digitale Werte umgewandelt, wobei die unendlich vielen analogen Messwerte auf endlich viele digitale Werte abgebildet werden. Hierzu ein Beispiel: Es soll der A/D-Wandler eine Auflösung von 8 Bit haben. (Ich habe hier das Beispiel 8 Bit gewählt, da das hier verwendete Lab-Jack ein 8 Bit-Wandler ist. Es gibt aber heute schon Wandler mit einer Auflösung von 32 bzw. 64 Bit). Eine elektrische Spannung soll zwischen 0 und 5 V variieren. Da unser A/D-Wandler eine Auflösung von 8 Bit hat, werden die gemessenen Spannungswerte in achtstellige Binärzahlen umgewandelt. Die höchste Zahl ist somit 11111111 im Binärsystem. Im Zehnersystem ist dies die Zahl 255. Die kleinste von Null verschiedene Zahl ist (00000001) 2⁰ = 1. Damit werden die kontinuierlichen Spannungswerte von 0 bis 5 V auf 255 Werte abgebildet. Alle Spannungswerte von 0 bis 5/255 V werden dem Wert 00000001 zugeordnet, usw.

Auch im Computerzeitalter bleibt die Natur analog, d.h. Lautsprecher oder Computermonitore werden analog gesteuert. Somit muss es auch Bauelemente geben, die die digitalen Signale in analoge Werte umwandeln. Diese Bauelemente nennt man Digital-Analog-Wandler (D/A-Wandler).

Die Abtastung (Sampling) von Analog-Signalen:

Die Abtastung oder auch Sampling genannt ist ein grundlegendes Prinzip digitaler Signalverarbeitung. Man muss jede zu messende Größe in ein analoges Spannungssignal umwandeln, da nur dies vom A/D-Wandler erfasst und verarbeitet werden kann. Daher ist unser analoges Eingangssignal in den A/D-Wandler ein zeitabhängiges Spannungssignal (hier im Beispiel ein periodisches Signal, siehe Abb.).

Diese analoge Eingangsspannung wird zeitlich periodisch mit einem Taktsignal abgefahren, wobei die Abtastzeit sehr klein ist. Dies erreicht man mit Hilfe eines Schalters, der geöffnet und geschlossen wird. Die abgetastete Spannung wird in einem Kondensator gespeichert (engl. „hold“).

Während der Haltezeit wird die Spannung in den eigentlichen A/D-Wandler eingespeist. Dort wird dann die aus der analogen Größe eine entsprechende Binärzahl erstellt.

Das Bit-Simulations-Modell:

links: variable Spannungsquelle; rechts: Bit-Simulator

Wie oben schon erklärt, kann ein 8-Bit-Wandler die kontinuierlichen, analogen Spannungswerte in nur 255 digitale Werte umwandeln. Das hier dargestellte Simulationsmodell soll dies nun verdeutlichen. Die LEDs von D0 bis D7 simulieren die einzelnen Bits des Wandlers. Liegt ein bestimmtes Spannungssignal am Bit-Simulator an, so leuchten einige der LEDs auf. Diese LEDs zeigen, in welche Binärzahl das anliegende Spannungssignal umgewandelt wird. Da die maximale Spannung am Bit-Simulator 10 V ist und dieser Wert somit in die Binärzahl 11111111 umgewandelt wird (d.h. beim Anliegen von 10 V leuchten alle acht LEDs), ist das Erhöhungsintervall 10 V/255 = 0,04 V (d.h. ab einem anliegenden Spannungswert von 0,04 V leuchtet die erste LED D0). Dies entspricht der Binärzahl 00000001 = 2⁰. Beim Erhöhen der Spannung bis 0,08 V ändert sich nichts. Erst ab einem Wert von 0,08 V leuchtet nun die LED D1, was der Binärzahl 00000010 = 2¹ entspricht. Um z.B. den analogen Spannungswert 1 V in ein digitales Signal umzuwandeln, regelt man die variable Spannungsquelle auf 1 V. Es leuchten die LEDs D4, D3 und D0. Dies entspricht der Binärzahl 00001101. Denn: Die Spannung 1 V entspricht dem Wert 1 ∙ 0,04 = 25 = 2⁴ + 2³ + 2⁰, und dies ergibt die Binärzahl 00001101.

Auf obigem Bild leuchten die LEDs D3 und D2. Dies entspricht der Binärzahl 00001100 = 2³ + 2² = 8 + 4 = 12. Somit ergibt sich für die anliegende Spannung: 12 ∙ 0,04 V = 0,48 V. Daher liegt die anliegende analoge Spannung zwischen 0,48 V und 0,52 V.

1.2.5.      Komponenten zur Messung und Verarbeitung analoger Größen:

Um nun die physikalischen, kontinuierlichen Werte messen und mit dem PC weiterverarbeiten zu können, benötigt man folgende Komponenten:

a)      geeignetes Messgerät oder Sensor,

b)      evtl. einen Messwandler zur Anpassung der Signalgröße,

c)      einen A/D-Wandler zur Umwandlung des Signals und

d)      ein Interface.

a)      geeignetes Messgerät:

Nicht für jedes Experiment ist es sinnvoll den Computer dafür einzusetzen (z.B. Freihandversuche). Es ist aber oft geschickt, den PC bei quantitativen Versuchen einzusetzen, bei denen es sehr viele Messdaten zum Auswerten gibt. Dazu benötigt man geeignete Messgeräte und/oder Sensoren, ohne die das Experiment nicht gelingen kann.

b)      Messwandler:

Wie gesagt, der Computer kann nur digitale Messdaten bearbeiten. Die A/D-Wandler sind Bauelemente, die nur elektrische Spannungen in einem bestimmten Intervall (z.B. 0 bis 12 V) digitalisieren können. Daher müssen physikalische Größen erst einmal in eine elektrische Spannung umgewandelt werden. Dazu benötigt man einen Messwandler.

c)      A/D-Wandler:

Die Funktionsweise von A/D-Wandlern wurde oben schon ausführlich erläutert. Es sei hier nur noch angemerkt, dass es A/D-Wandler in verschiedener Form gibt, entweder als gesonderter Baustein in einem Gehäuse oder zusammen mit dem Interface auf einer Karte, die man in einen freien Computersteckplatz einschiebt oder zusammen mit dem Interface in einem Gehäuse, das man mit einer Schnittstelle (LTP, Seriell, USB) mit dem Computer verbinden kann. Letztere Form hat das LabJack, das in den Versuchen im Kapitel ??? dieser Arbeit verwendet wurde.

d)      Interface:

Das Interface sorgt dafür, dass die Messdaten vom Experiment in den Computer transferiert werden und umgekehrt. Dabei werden die vom A/D-Wandler in Binärzahlen umgewandelten Messdaten vom Interface an den Computer weitergeschickt. Da Wandler und Interface in engem Kontakt stehen und sich gegenseitig Anweisungen geben, sind beide oft zusammen in einem Gerät eingebaut (siehe z.B. LabJack).

Es ist oben der Begriff „Schnittstelle“ aufgetaucht. Der Computer braucht eine Verbindung zu anderen externen Geräten (z.B. Maus, Drucker, Scanner, Interface), damit er mit ihnen kommunizieren kann. Diese Verbindungen, mit Hilfe denen ein Datenaustausch zwischen den externen Geräten und dem PC geschieht, nennt man Schnittstelle. Es gibt an einem PC in der Regel zwei unterschiedliche Arten von Schnittstellen, die parallelen und die seriellen Schnittstellen. Bei der parallelen Schnittstelle werden, wie der Name schon sagt, die Daten parallel, also gleichzeitig, übertragen, wobei jedes Bit über eine eigene Leitung gesendet wird. Bei einer seriellen Schnittstelle werden die Daten nacheinander übertragen, wobei es nur zwei Datenleitungen für Senden und Empfangen gibt.

1.2.6.      Die serielle Schnittstelle:

Nahezu jeder Computer ist mit einer oder zwei seriellen Schnittstellen ausgestattet. An jeder dieser Schnittstellen kann nur ein Endgerät angeschlossen werden. Die serielle Schnittstelle ist 9- in älteren Systemen 25-polig. Sie wird auch RS-232(C) oder V.24-Schnittstelle genannt. Die englische Bezeichnung COM-Port, abgeleitet von Communication (Kommunikation), wird allerdings am häufigsten verwendet. Mit COM1, COM2, COM3, usw. wird einer physischen existierenden Schnittstelle eine logische Bezeichnung durch das BIOS und das Betriebssystem zugeteilt. Unter dieser Bezeichnung können alle Anwendungen auf diese Schnittstelle zugreifen.
Obwohl die COM-Schnittstelle langsam am Aussterben ist, wird sie häufig als Software-Simulation eingesetzt. z.B. um USB-Geräte in einen Computer einzubinden und für Anwendungen nutzbar zu machen.
Klassische Endgeräte, die an der seriellen Schnittstelle angeschlossen werden sind die Maus und das Modem. Sehr viele technische Einrichtungen haben eine serielle Schnittstelle, an der sich ein Computer oder auch Notebook anschließen lässt, um die Einrichtung zu steuern oder zu konfigurieren. Viele Telefonanlagen haben eine solche V.24-Schnittstelle.

TxD – Transmitted Data

RxD – Received Data

Die anderen Leitungen werden zur Übertragung von Steuersignalen benutzt.

1.2.7.      Die parallele Schnittstelle:

Als die ersten Computer auf den Markt kamen, hatte jeder Hersteller für sein Endgerät eine eigene Schnittstelle entwickelt. So z.B. auch der Drucker-Hersteller Centronics. Er hat eine der ersten parallelen Schnittstellen für Drucker eingeführt. Diese Schnittstelle hat sich nach und nach auch bei anderen Herstellern durchgesetzt.
Durch die Möglichkeit der bidirektionalen Übertragung können an der Centronics-Schnittstelle auch CD-ROMs und Festplatten betrieben werden. Bevor sich die USB-Schnittstelle durchsetzte, betrieb man Scannern und Wechselmedien-Laufwerken (z. B. ZIP-Drive) an der parallelen Schnittstelle. Da die meisten PCs nur eine serielle Schnittstelle besitzen, mussten die Geräte wie Drucker oder Scanner mit Ein- und Ausgängen bestückt sein, damit man mehrere Geräte an dieser einen Schnittstelle betreiben könnte.
Die parallele Schnittstelle kann gleichzeitig 8 Bit übertragen, wobei jedes Bit eine eigene Leitung hat. Zusätzlich gibt es Steuerleitungen, die für den Betrieb eines Druckers gedacht sind.

Die englische Bezeichnung für die Centronics-Schnittstelle ist LPT. Diese Bezeichnung ist aus der Zeit abgeleitet, wo Nadeldrucker den Text zeilenweise ausgegeben haben. Im englischen hießen diese Drucker Line Printer (LPT). Übersetzt heißt das soviel wie Zeilendrucker. Die heutigen Drucker generieren den Ausdruck seitenweise. Die Schnittstellen-Bezeichnung LPT1, LPT2 und LPT3 ist jedoch immer noch geblieben.
Obwohl die Centronics-Schnittstelle keiner offiziellen Normierung unterlag, hat sie sich zum Industrie-Standard entwickelt.

1.2.8.      Die USB-Schnittstelle:

USB - Universal Serial Bus

Der USB ist eine I/O-Schnittstelle, die mit dem Steckerwirrwarr der unterschiedlichsten Peripheriegeräte Schluss macht. Neben Tastatur, Maus, Modem, Drucker, Mikrofon, Lautsprecher, Kamera, Scanner bringt jede neue Peripherie eine neue Schnittstelle mit. Der USB kennt nur einen Steckertyp für alle Geräte, so dass Verwechslungen ausgeschlossen sind. Die Identifikation der Geräte wird vom USB-Hostadapter im Rechner durchgeführt, der auch die Grundkonfiguration vornimmt.
Der USB ist besonders Anwenderfreundlich, da er automatisch das Laden gerätespezifischer Treiber veranlasst. Die USB-Spezifikation sieht das Zufügen und Entfernen der Peripherie-Geräte im laufenden Betrieb vor. Man spricht dabei von Hot-Plugging.

Die meisten PCs sind heute mit USB-Schnittstellen ausgestattet. Ältere PCs können leicht mit einem USB-Slotblech nachgerüstet werden.

Eine USB Schnittstelle lässt sich auch nachträglich installieren.
Aber es gibt Einschränkungen: Microsoft empfiehlt den USB erst ab Betriebssystem Windows 98! 

Alte 486er, und die erste Pentium Generation (90er - 100er P1) sind nicht USB verträglich.

Mögliche USB-Geräte:

• Tastatur
• Maus
• Joystick
• ISDN-Adapter
• Kamera
• Modem
• Scanner
• Drucker
• Dongle
• Lautsprecher (ohne Soundkarte nutzbar)
• USB-Parallelport-Adapter
• USB-V.24-Adapter
• USB-Speichersticks
• USB-EIDE-Adapter

USB 2.0:

Der USB hat sich für Drucker, Scanner, Tastaturen, Mäuse, Modems, Netzwerk- und ISDN-Adapter als Schnittstelle zum Computer durchgesetzt. Neue Anwendungen verlangen allerdings nach höheren Datenübertragungsraten. Externe Festplatten, CD-/DVD-Brenner und Bandlaufwerke und andere Peripheriegeräte benötigen deutlich höhere Datenraten.
Der USB 2.0 verfügt über die vierzigmal schnellere Datenübertragung als bei USB 1.1. Der USB 2.0 ist trotzdem vollständig abwärtskompatibel zum bestehenden Standard. Vorhandene Kabel und Geräte können weiterhin genutzt werden. Für Mobilgeräten umfasst die Erweiterung von USB 2.0 eine kompakte Steckerbauform und zusätzliche Stromspar-Features.
 Beim Einstecken eines USB-Gerätes schaltet der USB-2.0-Controller automatisch auf die jeweils geforderte Übertragungsgeschwindigkeit um. Dank der Abwärtskompatibilität können sämtliche Datenraten ohne Geschwindigkeitsverlust gleichzeitig genutzt werden.
Ein USB-2.0-Gerät, angeschlossen an einem USB-1.1-Controller kann allerdings nur die maximale Übertragungsrate von 12 MBit/s nutzen.

1.2.9.      Messwerterfassung über Standardschnittstellen:

Alle diese oben genannten Schnittstellen können zur Messwerterfassung mit dem Computer genutzt werden. Da aber die serielle Schnittstelle sehr langsam ist, verwendet man besser die parallele Schnittstelle oder seit dem Aufkommen der USB-Schnittstelle eben diese. Es gibt verschiedene Mess-Interfaces, und diese sind mit diesen Schnittstellen ausgestattet. Somit kann man jeden PC zur Messwerterfassung benutzen, dieser sollte jedoch über eine geeignete Taktfrequenz (mindestens 300 MHz) und über genügend Arbeitsspeicher (mindestens 32 MB). 

Im Folgenden soll nun näher auf das bei dieser Arbeit verwendete Interface Lab Jack U12, das die Datenübertragung über die USB-Schnittstelle mit PCs vornimmt.