Wie misst man Zeit ohne Stoppuhr?

Die Challenge:

Die Teams sollen kreative Methoden zur Zeitmessung entwickeln, mit bereitgestelltem Material. Anschließend sollen sie die Dauer eines Events so genau wie möglich messen. Das Team mit der präzisesten Messung gewinnt!

Die Regeln:

• Zu Beginn haben die Teams 30 Minuten Zeit, um sich eine Methode auszudenken, diese zu bauen und zu perfektionieren.
• Während der Bauzeit dürfen die Teams eine Stoppuhr nutzen, um ihre Methode zu kalibrieren. Die Teams bekommen die Info, dass die Tätigkeit zwischen 3 und 10 Minuten dauern wird.
• Nach Ablauf der 30 Minuten müssen alle Messgeräte einsatzbereit sein, und die Stoppuhren werden eingesammelt.
• Der Beginn der zu messenden Tätigkeit wird durch einen Start-Ruf des Challengemasters signalisiert.
• Das Ende der Tätigkeit wird durch einen Stopp-Ruf signalisiert, damit alle Teams gleichzeitig stoppen können.
• Die Teams haben dann noch ein paar Minuten Zeit zum Ausrechnen, bevor sie ihr Resultat auf einen Zettel aufschreiben, den sie abgeben.
• Das Team, dessen Zeitmessung am nächsten an der tatsächlichen Dauer liegt, gewinnt.
• Es dürfen alle bereitgestellten Materialien verwendet werden. Methoden, die ohne Materialien auskommen, sind ebenfalls erlaubt.
• Es ist erlaubt, mehrere Methoden gleichzeitig zu nutzen.

Hier könnt ihr euch die Episode von Take Off anschauen, in der diese Challenge vorkommt.
Ab Minute 14:15 könnt ihr euch anschauen, wie die Kandidaten diese Challenge gemeistert haben.

Material & Vorbereitungen 

Pro Gruppe:

• 3 Plastikflaschen mit Verschluss
• 500 ml Wasser
• 1 Reißzwecke
• 1 Feuerzeug / Streichholzschachtel
• 1 Rolle Klebeband
• 3-4 kleine Geburtstagskerzen + Basis (z.B. Schraubdeckel)
• 1 Stoppuhr
• 1 dicke Schraubmutter oder anderes Gewicht
• 2 m Schnur
• 1 Schere
• Stift
• Optional: 1kg Sand
• Optional: Klicker
• 1 Handtuch / Lappen (zum Aufwischen)

Für den Challenge-Master:

• 1 Stoppuhr (Handy)

Vorbereitungen

• Sich im Voraus die Tätigkeit überlegen, von der die Dauer bestimmt werden soll: diese soll zwischen 3 und 10 Minuten dauern. Zum Beispiel: Jemand liest eine Geschichte vor, sortiert alle Bücher nach Farben… 
• Die Materialien besorgen
• Das Video (oben) mit den möglichen Methoden anschauen
• Überlegen, in wie viele Gruppen die Klasse am besten eingeteilt wird, wo die Gruppen sich im Raum verteilen können

Konkreter Ablauf

1. Frage/Challenge stellen:

Der Challengemaster (Lehrer:in) erklärt die Challenge und die Regeln. Die Schüler sollen hier schon möglichst alle Fragen stellen, die sie haben, damit sie alles mitbekommen und die Regeln für alle klar sind, bevor es los geht.

2. Hypothesen formulieren:

Die Gruppen haben ein paar Minuten Zeit, um sich alle Materialien anzuschauen und sich zu überlegen, mit welcher Methode sie die Challenge gewinnen können. Sie reflektieren also über verschiedene Hypothesen. Hier ist es ganz wichtig, dass die Schüler:innen zu diesem Zeitpunkt die Info haben, dass die Tätigkeit von der sie die Zeit messen werden, zwischen 3 und 10 Minuten dauernd wird. Somit wissen sie, wie lange ihre Zeitmess-Methode funktionieren muss.

3. Experiment/Wettkampf:

Bei einer Challenge ist die Testphase zur Hypothesenüberprüfung der Wettkampf selbst. Diese Phase ist bei dieser Challenge in zwei Teile eingeteilt: 1. Die Bau- und Kalibrierphase 2. Der Wettkampf.

Die Dauer der Bauphase kann zwischen 20 und 45 Minuten dauern, je nachdem wie viel Zeit zur Verfügung steht. Unter 20 Minuten ist die Zeit zu knapp, um gute Methoden zu finden. Während dieser Phase dürfen die Schüler:innen ihre Methoden mit der Stoppuhr kalibrieren und testen. Wenn die Bauphase vorbei ist, müssen alle Gruppen startbereit für die Messung sein. Alle Gruppen müssen ihre Stoppuhren und sämtliche andere Uhren abgeben. Auch alle anderen Uhren im Klassensaal sollen nicht sichtbar sein.

Jetzt kann der Wettkampf losgehen, in dem die Gruppen ihre Hypothesen/Methoden testen. Der Challenge Master gibt das «Go» um den Start der Zeitmessung zu signalisieren und startet die Zeit auf der Stoppuhr. Der Challengemaster signalisiert dann auch das Ende der Tätigkeit mit einem „Stopp-Ruf“ und schreibt sich die reelle Dauer auf, ohne dass die Gruppen diese sehen.

Die Teams haben jetzt ein paar Minuten Zeit, um ihr Resultat und ihren Team-Namen auf einen Zettel zu schreiben und den abzugeben. Der Challengemaster gibt dann das Gewinnerteam bekannt.

4. Schlussfolgerung/Erklärung:

Gemeinsam wird nun diskutiert, welche Methode(n) am besten geeignet war(en) und warum. Wieso war die Gewinner-Methode besser als die anderen? Wieso haben die anderen Methoden nicht so gut geklappt? Gegebenenfalls können die Gruppen auch in einer zweiten Runde eine weitere Methode ausprobieren, um sich zu verbessern.

Mögliche Methoden

Wir haben euch in unserem YouTube-Video (oben) einige mögliche Methoden vorgestellt. Im folgenden Abschnitt geben wir euch wissenschaftliche Hintergrundinformationen zur unserer Meinung nach einfachsten und präzisesten Methode: dem Pendel. Diese Informationen können in der Schlussfolgerungsphase zur Diskussion genutzt werden.

Damit eine Methode zuverlässig funktioniert, sollte sie möglichst gleichmäßig ablaufen. Das ist beim Pendel der Fall, denn seine Periode – also die Zeit, die es für eine vollständige Schwingung von einer Seite zur anderen benötigt – hängt ausschließlich von seiner Länge ab. Die Periode eines idealen Pendels kann man mit folgender Formel beschreiben:

wobei:

• T die Periode (Zeit für eine vollständige Schwingung) ist,
• ℓ die Länge des Pendels ist,
• g die Erdbeschleunigung (ca. 9,81 m/s²), also eine Konstante ist,
• π auch eine Konstante ist.

Die Periode hängt also weder von der Masse des Pendels noch von der Amplitude (der Höhe der Auslenkung) ab. Egal, wie hoch oder tief das Pendel schwingt – die Schwingungsdauer bleibt konstant. Genau deshalb ist das Pendel eine besonders verlässliche Methode zur Zeitmessung. Natürlich hält ein Pendel nach ein paar Minuten auf zu schwingen. Dann kann man ihn wieder anstoßen und die Periode verändert sich dabei nicht.

Und es gibt sogar noch einen Trick: beträgt die Länge (also die Distanz zwischen Schwerpunkt der Masse und dem Fixpunkt des Pendels) genau 1 Meter, dann ist T=2 Sekunden. In dem Fall müssen nur noch die Perioden gezählt werden. 

Wer noch mehr über das Thema Zeitmessung erfahren möchte, kann sich dieses Video von Mr. Science anschauen: (26) Mister Science - Auer - YouTube

Autorin: Lucie Zeches (FNR)
Editor: Joseph Rodesch (FNR)