Physik im Alltag
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| Autor: | Michelle Kellermeier & Rick Bürger |
| Betreuer: | Prof. Schneider oder Prof. Göbel oder Marc Ebmeyer |
Einleitung
Physikalische Effekte sind nur dann genau zu bestimmen, wenn alle nötigen Parameter vorliegen und die entsprechende Formel bekannt ist. Darüber hinaus verfügt der Mensch auch über ein natürliches Gefühl für physikalischen Effekte, die jeder aus seinem Alltag kennt.
Darunter fallen die Einschätzung von Geschwindigkeiten, Beschleunigung, Kräfte und vielen mehr, welche alle Menschen tagtäglich und auch häufig unbewusst nutzen, wenn sie beispielsweise über eine Straße gehen oder einen Gegenstand anheben wollen.
Trotz dieser natürlichen Veranlagung die Gesetze der Physik im Alltag anzuwenden klagen viele Menschen, darunter häufig Schulkinder, sie würden die Physik nicht verstehen können und beschäftigen sich daraufhin nicht aus intrinsischen Interesse mit diesem Themenfeld.
Im Rahmen unseres Escape-Games wollen wir den Teilnehmenden zeigen, dass Physik keineswegs ein rotes Tuch ist, sondern vielmehr häufig und unbewusst von jedem Menschen genutzt wird. Daher werden im Zuge des Spielverlaufs drei Aufgabenstellungen, mit physikalischen Alltagsphänomenen gestellt. Um den Charakter einer Unterrichtsstunde zu umgehen sollen die Aufgaben ohne Taschenrechner oder Formelsammlung gelöst werden. Die Aufgabe besteht darin die möglichst genaue Antwort abzuschätzen. Liegt der Wert in einem bestimmten Toleranzbereich, so wird auf dem Display pro gelöster Aufgabe jeweils eine Zahl für das Zahlenschloss ausgegeben.
Dieses Rätsel lässt sich, über den möglichen Tolleranzbereich in verschiedenen Schwierigkeitsstufen (leicht,mittel und schwer) einstellen. Wenn es in der Stufe "leicht" noch einfach ist die Thematik zur ausreichender Zufriedenheit über einer einfachen Einschätzung zu lösen, so wird in der Stufe "schwer" der Teilnehmer nicht darum herum kommen durch Anwendung der richtigen Formel aus dem Gedächtnis, sowie einiger Kenntnisse im Kopfrechnen auf eine möglichst genau Lösung zu kommen, die zudem auch im geforderten Toleranzbereich liegt. Natürlich sind auch Hilfen vorgesehen, falls die Teilnehmer nicht weiterkommen sollten. Dabei handelt es sich um eine kurze Erläuterung der vorliegenden Aufgabe. Die Hilfestellung wird automatisch angezeigt, falls die Aufgabe nach 100 Sekunden noch nicht gelöst wurde. Ohne sperrige Formeln kann die vorliegende Aufgabe, somit einfacher gelöst werden.
Ziel des Games soll es sein, zu erkennen das Physik in allen möglichen Lebenssituationen vorkommt und keinesfalls nur ein langweiliges Schulfach ist, sondern im richtigen Blickwinkel betrachtet auch sehr viel Spaß machen kann.
Anforderungen
| ID | Inhalt | Prio | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Das Escape Game muss innerhalb von fünf Minuten lösbar sein. | Hoch | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 2 | Die benötigte Zeit pro Aufgabe sollte rund 100 Sekunden betragen. | Hoch | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 3 | Bei einem korrekten Wert, in Form einer Zahl wird ein grüner Haken, sowie die genaue Lösung ausgegeben. | Mittel | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 4 | Bei dem falschen/nicht ausreichend genauen Wert wird ein rotes "X" ausgegeben. | Mittel | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 5 | Für jede richtig beantwortete Frage erhält der Teilnehmer ein Zahl für das Zahlenschloss. | Hoch | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 6 | Die Hilfestellungen sollen nach Ablauf der 100 Sekunden automatisch ausgegeben werden. | Hoch | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 7 | Die Hilfestellungen müssen kurz und knapp formuliert sein. | Mittel | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 8 | Die Hilfestellungen müssen eingängig und einfach zu verstehen sein. | Mittel | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 9 | Die Programmierung soll über die Software Matlab realisiert werden. | Mittel | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
| 10 | Das Escape Game muss in einen Schuhkarton passen. | Mittel | Rick Bürger | 04.10.2024 | Michelle Kellermeier | 04.10.2024 |
Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf
Funktionaler Systementwurf
Zu Beginn schalten die Spieler das Eingabegerät ein, daraufhin wird die erste Aufgabe auf dem Bildschirm Nr. 1 angezeigt. Wurde die Aufgabe erfolgreich absolviert wird die erste Zahl des Codes auf dem Bildschirm Nr. 2 ausgegeben. Durch drücken auf den Button "weiter" wird die nächste Aufgabe angezeigt. Das Prinzip läuft für die folgenden Fragestellungen analog ab. Am Ende erscheint auf dem Bildschirm Nr. 2 nochmal der vollständige Code. Sollte eine Aufgabe nach 100 Sekunden nich nicht gelöst worden sein erscheint auf einem Bildschirm Nr. 2 der Hinweiß, durch den die Aufgabe leichter zu bewältigen ist. Dieser wird ausgeblendet, wenn die Aufgabe erfolgreich absolviert wurde.
Technischer Systementwurf
Das System setzt sich aus einem Mikrokontroller, sowie aus zwei Bildschirmen, einem Tastaturfeld und einem Push Button zusammen.
Die Steuerung, sowie die Zeitüberwachen und die Ausgabe der Hinweise wird durch einen Mikrocontroller realisiert. Alle weiteren elektronischen Bauteile sind direkt mit dem Mikrokontroller verbunden. Dieser ist mit einer dauerhaften Stromquelle verbunden. Bildschirm 1 wird genutzt um die aktuelle Aufgabe visuell auszugeben. Bildschirm 2 bildet die Hinweise, sowie die Zahlen für den Code ab. Die Bildschirmausgabe erfolgt über je ein LCD-Tastaturschild LCD1602 LCD 1602-Modul Display. Die Eingabe der Werte erfolgt über ein AZDelivery 4x4 Matrix Array Keypad. Der Button "weiter" wird durch ein ein Push Button DIP-4 realisiert.
Materialliste
| Nr. | Anz. | Beschreibung |
|---|---|---|
| 1 | 1 | Funduino Arduino UNO R3 |
| 2 | 2 | Bildschirm |
| 3 | 1 | Matrix Array Keypad |
| 4 | 1 | Steckbrett |
| 5 | 18 | Verbindungskabel |
| 6 | 1 | Positionierungsschalter |
| 8 | 1 | Widerstand 1kOhm |
| 9 | 1 | Netzteil + Kabel |
| 10 | 1 | I²C-Adapter |
Komponentenspezifikation
Stückliste (BOM)
Die Bill of Materials befindet sich in der Dokumentation, diese ist in der Zusammenfassung hinterlegt.
| ID | Anzahl | Kosten pro Stück € | Summe | Bezeichnung / Komponente | technische Bezeichnung | Beschreibung | Datenblatt | Abbildung |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1x | 23,70€ | 23,70€ | Mikrocontroller-Board | Arduino UNO R3 | Der Mircocontroller mit dem ATmega328P verfügt über 14 digitale I/O - Schnittstellen, sechs davon können als PWM Ausgang genutzt werden. Des weiteren sind sechs analoge Eingänge die die Verarbeitung analoger Signale vorhanden | Datenblatt Arduino Uno |  |
| 2 | 2x | 10,72€ | 21,44€ | Bildschirm | Bildschirm | Der Bildschirm verfügt über eine Größe von Abmessungen: 80 x 58 x 20 mm und ist für den Anschluss an den Arduino Uno geeignet. | Bildschirm |  |
| 3 | 1x | 4,99€ | 4,99€ | AZDelivery 4x4 Matrix Array Keypad | Keypad | Der AZDelivery 4x4 Matrix Array Keypad besitzt eine 16 Tasten Tastatur zur Eingabe der Zahlen 0-9, sowie zwei Zeichen und vier Buchstabenfelder. | Keypad |
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| 4 | 1x | 4,75€ | 4,75€ | 100PCS Tactile Push Button | Button | Ein Selbstrückstellender Positionierungsschalter. | Button |  |
| 5 | 1x | 2,55€ | 2,55€ | I²C-Adapter PCF8574 | I²C-Adapter | Dieses Board wird benötigt um auch bei mehreren Displays genügend Pins am Arduino zur Verfügung zu haben. | I²C-Adapter |
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