Beweging meten met je smartphone: snelheid en afstand

Niveauaanduiding: VMBO-T, leerjaar 2 of 3 — passend bij het onderdeel Beweging (snelheid, afstand, tijd, s-t-diagram).

Inleiding

Alles beweegt. Een voetganger, een rijdende auto, een rollende bal — ze leggen allemaal een afstand af in een bepaalde tijd. Wanneer de snelheid steeds gelijk blijft, spreken we van een eenparige beweging. Wanneer de snelheid verandert, is de beweging niet-eenparig.

In dit practicum onderzoekt u uw eigen beweging. U loopt of rijdt een stuk en de Phyphox-app registreert via de GPS van de smartphone uw snelheid en de afgelegde afstand. Daarmee maakt u een s-t-diagram (afstand-tijdgrafiek) en leest u af hoe uw beweging eruitzag.

Leerdoelen

Na afloop van dit practicum kunt u:

• het verschil uitleggen tussen eenparige en niet-eenparige beweging;
• de formule s = v · t toepassen om afstand, snelheid of tijd te berekenen;
• een s-t-diagram aflezen en beschrijven wat de helling van een lijn zegt over de snelheid;
• een meting uitvoeren met de Phyphox-app en de grafiek interpreteren.

Achtergrondinformatie

De snelheid v van een bewegend voorwerp is de afstand s die het aflegt per tijdseenheid t:

v = s / t

Herschreven: s = v · t. Bij een eenparige beweging is v constant. Op een s-t-diagram ziet dat eruit als een rechte lijn: hoe steiler de lijn, hoe groter de snelheid.

Bij een niet-eenparige beweging — iemand die langzamer wordt of versnelt — buigt de lijn in het s-t-diagram. De helling van de lijn op elk moment geeft dan de momentane snelheid aan.

De Phyphox-app beschikt over het experiment GPS, dat via de GPS-ontvanger van de smartphone de locatie, snelheid en afgelegde afstand bijhoudt en deze realtime in een grafiek weergeeft.

Benodigde laboratoriumapparatuur

• smartphone met Phyphox-app en GPS-ontvanger (vrijwel alle smartphones);
• meetlint voor het uitzetten van een referentieafstand (voor vergelijking);
• een open, vlakke buitenruimte van minimaal 30 meter (schoolplein, sportveld);
• fiets of step (voor het gedeelte met constante snelheid), of gewoon lopen/rennen.

Veiligheid

Dit practicum vindt gedeeltelijk buiten plaats. Houd u aan de verkeersregels als u een fiets gebruikt. Voer de meting niet uit op een weg met verkeer. Draag de smartphone in een borstzak of fietshouder — houd hem niet in de hand tijdens het rijden.

Werkwijze

Voorbereiding

1. Installeer Phyphox en open het experiment GPS (of Location).
2. Ga naar buiten en wacht een halve minuut totdat de GPS-ontvangst stabiel is (de app toont een groen signaalicoon).
3. Zet op het schoolplein met een meetlint een startpunt en een punt op 20 meter afstand.

Deel 1 — Eenparige beweging

1. Loop of rijd met een zo gelijkmatig mogelijke snelheid van het startpunt naar een punt op 50 meter afstand.
2. Start de Phyphox-meting net voor u begint te lopen en stop de meting zodra u het eindpunt bereikt.
3. Bekijk de s-t-grafiek en de v-t-grafiek in de app. Is de snelheid constant?
4. Lees de gemiddelde snelheid af en noteer.

Deel 2 — Niet-eenparige beweging

1. Start een nieuwe meting. Loop langzaam weg, ga na 10 meter harder lopen, en stop daarna.
2. Bekijk de s-t-grafiek: welk deel heeft een grote helling (hard lopen) en welk deel een kleine helling (langzaam lopen)?
3. Maak een schets van de grafiek in uw schrift en label de delen: langzaam, snel, stilstand.

Berekening

1. Noteer de totale afgelegde afstand s en de totale meettijd t.
2. Bereken de gemiddelde snelheid: v_gem = s / t.
3. Zet de snelheid ook om naar km/h: v (km/h) = v (m/s) × 3,6.

Verwerkingsvragen

1. Wat is het verschil tussen een eenparige en een niet-eenparige beweging?
2. Wat zegt de helling van een lijn in een s-t-diagram over de snelheid?
3. U heeft een afstand van 50 meter afgelegd in 12 seconden. Wat is uw gemiddelde snelheid in m/s en in km/h?
4. Beschrijf de s-t-grafiek uit Deel 2: welk deel heeft de steilste helling?
5. Stel: u staat stil gedurende 5 seconden. Hoe ziet dat eruit in het s-t-diagram?
6. Noem een voorbeeld van een eenparige beweging en een voorbeeld van een versnelde beweging in het dagelijks leven.

Uitwerkingen

1. Eenparig vs niet-eenparig:
   Bij een eenparige beweging is de snelheid constant. Bij een niet-eenparige beweging verandert de snelheid: de beweging versnelt of vertraagt.
2. Helling in het s-t-diagram:
   Een steilere helling betekent een grotere snelheid (meer afstand per tijdseenheid). Een horizontale lijn betekent stilstand (geen afstand in de tijd). Een gebogen lijn wijst op een veranderende snelheid.
3. Berekening:
   v = s/t = 50/12 = 4,2 m/s. In km/h: 4,2 × 3,6 = 15,1 km/h. Dit is een stevig looptempo.
4. Steilste helling:
   Het deel waarbij hard werd gelopen heeft de steilste helling in het s-t-diagram, omdat in die periode de meeste afstand per seconde werd afgelegd.
5. Stilstand in s-t-diagram:
   Gedurende de stilstand neemt de afstand niet toe. In het s-t-diagram is dat een horizontaal stuk: de lijn loopt vlak gedurende 5 seconden.
6. Voorbeelden:
   Eenparig: een trein die met constante snelheid rijdt op een rechte lijn tussen twee stations. Versneld: een auto die optrekt bij een groen stoplicht, of een steen die valt.

Achtergrond

GPS (Global Positioning System) is een systeem van 24 of meer satellieten die continu radiosignalen uitzenden. Een GPS-ontvanger in een smartphone ontvangt signalen van minimaal vier satellieten tegelijk en berekent uit de kleine tijdsverschillen in die signalen zijn exacte positie op aarde. De nauwkeurigheid van een smartphone-GPS is typisch 3 tot 5 meter; voor snelheidsmetingen is de nauwkeurigheid beter, omdat snelheid wordt afgeleid uit de verandering in het Doppler-signaal van de satellieten.

De begrippen afstand, snelheid en tijd vormen het fundament van de kinematica. In de hogere klassen van HAVO en VWO worden s-t-diagrammen en v-t-diagrammen uitgebreid om ook versnelling te beschrijven. De Phyphox-app biedt beide diagramtypen direct aan, zodat het verband tussen s-t en v-t visueel wordt.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert materialen voor in het laboratorium en practicum.

Bekijk het assortiment practicum artikelen of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.