Physik-Experimente mit Arduino (Leseprobe) by Elektor

Seit dieser Zeit veröffentlichte der Autor Dutzende von Artikeln und Bücher; unter anderem zu den Themen ZX 81 und MSX-Computer – und gegenwärtig auch zur kleinen, aber leistungsfähigen ATtiny-Plattform. ISBN 978-3-89576-313-7

Als eine Art „modernes Messinstrument“ ermöglicht es der Arduino unter anderem, die Messergebnisse auch in einer Excel-Tabelle darzustellen. Die gezeigten Experimente lassen sich, obwohl sie ein geringes Maß an handwerklichem Geschick erfordern, auch bequem zuhause durchführen. Damit soll das Buch vor allem bei Jugendlichen ein Interesse am interessanten, sinnvollen und lehrreichen Einsatz von Mikroprozessoren wecken, der auch im Hobby-Bereich stattfinden kann. Sicherheit steht beim Experimentieren natürlich an erster Stelle: Licht, Wärme und Elektrizität sind unverzichtbar für unser heutiges Leben, aber diese Energien bergen auch Gefahren. Handeln Sie daher bitte stets nach dem Motto: Erst denken, dann machen! Nicht nur Anfänger auf dem Gebiet der Hobby-Elektronik werden an diesem handlichen, praxisbezogenen und leicht verständlichen Buch Gefallen finden.

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de

PHYSIK-EXPERIMENTE MIT ARDUINO

Der Autor zeigt anschaulich, wie man die unterschiedlichsten, physikalischen Experimente mit modernen Hilfsmitteln wie zum Beispiel der Arduino-Plattform sinnvoll ergänzen kann.

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Der Autor ist Hobby-Elektroniker der ersten Stunde. Seine erste Veröffentlichung bei Elektor (damals noch Elektuur) erfolgte im Jahre 1973.

PHYSIK-EXPERIMENTE MIT ARDUINO

WILLEM VAN DREUMEL

Dieses Buch wendet sich in erster Linie an alle, die sich auf dem Gebiet der Physik in irgendeiner Art von Ausbildung befinden (z. B. Schüler, Studenten, Praktikanten, Auszubildende) oder selbst in der Ausbildung tätig sind.

36 FASZINIERENDE PROJEKTE FÜR SCHULE UND HOBBY

Willem van Dreumel

PHYSIK-EXPERIMENTE MIT ARDUINO

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36 FASZINIERENDE PROJEKTE FÜR SCHULE UND HOBBY

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Book Fysik Arduino.indb 138

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Physik-Experimente mit Arduino 36 faszinierende Projekte für Schule und Hobby

● Willem van Dreumel

an Elektor Publication

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© 2016 : Elektor Verlag GmbH, Aachen 1. Auflage 2016 Alle Rechte vorbehalten. Die in diesem Buch veröffentlichten Beiträge, insbesondere alle Aufsätze und Artikel sowie alle Entwürfe, Pläne, Zeichnungen und Illustrationen sind urheberrechtlich geschützt. Ihre auch auszugsweise Vervielfältigung und Verbreitung ist grundsätzlich nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung des Herausgebers gestattet. Die Informationen im vorliegenden Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autor können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgendeine Haftung übernehmen. Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Verlag und Autor dankbar.

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Umschlaggestaltung: Elektor International Media B.V. Aufmachung: Elektor International Media B.V. Druck: WILCO, Amersfoort (NL) Übersetzung: Kurt Diedrich Printed in the Netherlands

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ISBN 978-3-89576-313-7 Elektor-Verlag Aachen 159023-1/D

Elektor is part of EIM, the world’s leading source of essential technical information and electronics products for pro engineers, electronics designers, and the companies seeking to engage them. Each day, our international team develops and delivers high-quality content - via a variety of media channels (e.g., magazines, video, digital media, and social media) in several languages - relating to electronics design and DIY electronics. www.elektor.com

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● Einleitung

Einleitung Ein Mikroprozessor im Physikunterricht, im Praktikum oder im Studium gehört heute schon zum Alltag, ganz zu schweigen von den zahlreichen zur Verfügung stehenden Anwendungsprogrammen, die Abwechslung und Schwung in den Unterricht bringen, wo vormals nur stures Auswendiglernen angesagt war. Obwohl es eine Reihe hervorragender Alternativen gibt, habe ich mich aus verschiedenen Gründen für den Arduino entschieden: Er ist leicht programmierbar und man findet sehr schnell alle benötigten Informationen im Internet. Die Arduino-Produktpalette bietet hervorragende Möglichkeiten zum niedrigen Preis; und mit dem kostenlosen Programm CoolTerm lassen sich die Ausgangsdaten des Arduino sehr einfach in Excel darstellen und verarbeiten. Dieses Buch erhebt nicht den Anspruch, ein Lehrbuch zu sein: Nach Differentialgleichungen wird man hier vergeblich suchen. Stattdessen findet der Leser viele Dinge, die uns im Alltag in natürlicher Weise umgeben. Dieses Buch erhebt auch keinen Anspruch auf Vollständigkeit, unterstützt jedoch den Lernenden, indem es durch die Beschreibung moderner Messmethoden zum kreativen Arbeiten anregt. Die dabei präsentierten, elektronischen Schaltungen sind durchgehend sehr einfach gehalten und machen deutlich, welche zusätzlichen Möglichkeiten sich im Umgang mit elektronischen Bauteilen erschließen. Dabei wird an vielen Stellen auch auf die historischen Ursprünge physikalischer Entdeckungen hingewiesen. Ein typisches Buch für die Praxis mit vielen bekannten physikalischen Themen, die so einfach sind, dass sie vom Leser leicht nachvollzogen werden können. Sicherheit steht beim Experimentieren natürlich an erster Stelle: Licht, Wärme und Elektrizität sind unverzichtbar für unser heutiges Leben, aber diese Energien bergen auch Gefahren. Befolgen Sie daher bitte stets das Motto: Erst denken, dann handeln!

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● Inhalt

Inhalt Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. Arduino als Datalogger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2. Arduino als Stoppuhr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 3. Arduino als Abstandsmessgerät. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 4. Schwerkraft. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 5. Wirbelströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 6. Die Fallmaschine von Atwood . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 7. Von Winkeln und schiefen Ebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 8. Reibung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 9. Geschwindigkeit und Beschleunigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 10. Harmonische Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Pendel in der Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 11. Erzwungene Schwingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 12. Federpendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 13. Ballistik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 14. Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Messaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 15. Wärme und Abkühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 16. Wärmeabsorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 17. Licht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 18. Stroboskop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 19. Digitales Zoetrop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 20. Lissajous-Figuren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 21. Prismentisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Rückstrahler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Brechungsindex. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 22. Farben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

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Physik-Experimente mit Arduino ● 36 faszinierende Projekte für Schule und Hobby

23. Farbtemperatur des Lichts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 24. Infrarot und Ultraviolett . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 25. Schreib-Wischer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 26. Schallgeschwindigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 27. Töne und Geräusche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 28. Druckmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 29. Genauer Wegaufnehmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 30. Elastizität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 31. Kraftmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 32. Verbesserter Biegetest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 33. Drehmoment-Messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 34. Magnete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Magnete als Feder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 35. Magnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 36. Anemometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Nachwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

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1 ● Arduino als Datalogger

1. Arduino als Datalogger Der Arduino hat eine nur selten genutzte, aber umso praktischere Eigenschaft: Er kann gemessene Daten auf einem seriellen Monitor wiedergeben. In diesem Kapitel geht es um den Bau einer einfachen Testanordnung:

Ein Potentiometer (der Wert ist unkritisch, so lange er nicht kleiner als 1 k-Ohm ist) wird mit seinen äußeren Kontakten zwischen Masse und +5 V angeschlossen. Den Schleifer verbinden wir mit Eingang 0. Mit einem kurzen Sketch (Arduino-Programm) können wir die am Schleifer abgegriffene Spannung als numerische Werte auf dem Bildschirm eines PCs darstellen. // Seriell intpoti = A0; int spannung; void setup() { pinMode(poti, INPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { spannung = analogRead (poti); Serial.println(spannung); delay(1000); }

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2 ● Arduino als Stoppuhr

2. Arduino als Stoppuhr Da auch eine genaue Zeitmessung zum Thema Datenverarbeitung gehört, in vielen Fällen sehr nützlich ist und auch mit dem Arduino durchgeführt werden kann, wollen wir uns in diesem Kapitel damit beschäftigen und dazu die Anweisung: pulseIn verwenden. Die Messung erfolgt an einem als Eingang konfigurierten, digitalen Port, der erkennt, ob eine Spannung den Logikpegel 1 oder 0 besitzt.

int timerPin = 2; // der digitale pin an dem gemessen wird unsigned long duration;

// duration ist vom typ unsigned long

void setup() { pinMode(timerPin, INPUT); } void loop() { duration = pulseIn(timerPin, HIGH); // so lange timerPin hoch ist, zählt die variable duration die Millisekunden }

Wenn ein Sprung von High nach Low (1 nach 0) erfolgt, wird die Zeit gemessen, in welcher der Port den Zustand 0 einnimmt. Das Ergebnis kann wieder auf dem seriellen Monitor ausgegeben werden: int timerPin = 2; // der digitale pin an dem gemessen wird unsigned long duration;

// duration ist vom typ unsigned long

void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(timerPin, INPUT); } void loop() { duration = pulseIn(timerPin, HIGH); // so lange timerPin hoch ist, zählt die variable duration die Millisekunden Serial.println(duration); }

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3 ● Arduino als Abstandsmessgerät

3. Arduino als Abstandsmessgerät

Zur Abstandsmessung gibt es ein vorgefertigtes Bauteil: Den bekannten und preisgünstigen Ultraschall-Abstandsmesser mit der Bezeichnung HC-SR04. Diese Einheit besteht aus einem Sender, der mittels eines Piezo-Kristalls auf Befehl acht kurz aufeinanderfolgende, hochfrequente Ultraschall-Impulse von 40 kHz aussendet, die nicht hörbar sind. Auf Grund der kurzen Wellenlänge breiten sich diese Wellen sehr geradlinig aus und können daher auch gezielt in bestimmte Richtungen reflektiert und abgestrahlt werden. Der Schall wird bei diesem Gerät in einem Winkel von 40 Grad ausgesendet, von vorhandenen Hindernissen reflektiert und von einem Piezo-Mikrofon wieder empfangen. Der folgende Sketch triggert den Ultraschallgenerator und misst die Zeit, die verstreicht, bis das reflektierte Signal wieder empfangen wird.

// SR04 Abstandsmessung unsigned long duration; int distance; int sendpin = 1; int sensorpin = 2; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(sendpin, OUTPUT); pinMode(sensorpin, INPUT);

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4 ● Schwerkraft

4. Schwerkraft „What goes up - must come down” heißt es in dem alten Song von Alan Parson: Was nach oben geht, kommt irgendwann auch wieder runter. Im Zeitalter der Raumfahrt gilt dieser Spruch wohl nicht mehr so ganz, aber so lange wir nicht die kritische Geschwindigkeit zum Verlassen der Erdumlaufbahn erreichen, sollten wir ihn beherzigen.

Wie wir alle wissen, besitzt die Erdbeschleunigung einen Wert von 9,81 m/sec2. Die Kraft F, die die Erde auf einen Körper der Masse M ausübt, wird errechnet durch die Formel M * 9,81. So steht es jedenfalls in den Lehrbüchern und es gibt wohl niemanden, der dies anzweifelt. Trotzdem wäre es interessant, dies einmal durch ein Experiment zu überprüfen. Dazu benötigen wir eine Stahlkugel, die durch die Erdanziehungskraft durch zwei Lichtschranken hindurch fällt, die sich genau einen Meter voneinander entfernt befinden. Durch die aerodynamische Form der Kugel spielt der störende Luftwiderstand dabei nur eine geringe Rolle.

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5 ● Wirbelströme

5. Wirbelströme Das aus einem fahrenden Boot ins Wasser getauchte Ruder erzeugt Verwirbelungen. Auch ein Magnet, der entlang eines Leiters bewegt wird, erzeugt in diesem solche Wirbel in Form von elektrischen Strömen, die auch „Wirbelströme” genannt werden. Der Grund, warum zum Beispiel Trafokerne aus einzelnen Blechen bestehen, hat mit der Unterdrückung von Wirbelströmen zu tun. Mit dem im vorigen Kapitel beschriebenen Fall-Experiment lassen sich auch Wirbelströme nachweisen. Dabei bewegt sich ein fallender Magnet einmal durch ein Kunststoff- und einmal durch ein Kupferrohr. Die betreffenden Rohre befestigen wir zwischen den Lichtschranken in der Fall-Linie mit Klebeband und entsprechend dimensionierten Abstandshaltern. Der zum Fall-Experiment gehörende Sketch muss angepasst werden. Der durch das Rohr fallende Magnet muss bei diesem Experiment von Hand festgehalten und losgelassen werden, da ein Elektromagnet hier stören würde. Die Länge des im Beispiel verwendeten Rohres beträgt 83 cm – bei einem Innendurchmesser von 12 mm. Bei den Magneten handelte es sich um Neodym-Exemplare mit einem Durchmesser von 4 mm.

Der bei den Wirbelstrom-Experimenten ermittelte Unterschied zu den Ergebnissen des vorigen Kapitels ist frappierend: Der fallende Magnet erzeugt im Kupferrohr einen Wirbelstrom, der dem fallenden Magneten Energie entzieht und ihn daher in seinem Fall bremst: Die drei Magnete brauchen im Kupferrohr mehr als drei Mal so viel Zeit, bis sie untern ankommen, als im Kunststoffrohr.

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6 ● Die Fallmaschine von Atwood

6. Die Fallmaschine von Atwood Im Jahre 1784 entwickelte der englische Physiker und Erfinder George Atwood ein interessantes Gerät, das aus einem über eine Rolle laufenden Seil bestand, an welchem an beiden Enden ein Gewicht befestigt war. Beide Gewichte waren gleich schwer, aber eines der Gewichte konnte vor dem Start zusätzlich vergrößert werden. Dadurch entstand, unter dem Einfluss der Erdanziehungskraft, eine einstellbare, gleichförmig beschleunigte Bewegung. Wurde das zusätzliche Gewicht noch während der Beschleunigungsvorgangs entfernt, so wurde aus der beschleunigten Bewegung eine gleichförmige Bewegung: In gleichen Zeitabschnitten wurde die gleiche Strecke zurückgelegt. Mit dieser relativ einfachen Maschine ist es möglich, die Beschleunigungsgesetze zu veranschaulichen und auch Beschleunigungen zu erzeugen, die geringer als die Erdbeschleunigung sind. Wir wollen in einem Versuch die gleichförmige Endgeschwindigkeit messen, die sich nach dem Abwurf des Zusatzgewichtes einstellt. Bild 6.1 Da der Arduino im Jahre 1784 noch völlig unbekannt war, hat der Erfinder die Zeit mit einem Metronom gemessen. Als Leser dieses Buches sind wir jedoch bereits schon jetzt in der Lage, das Metronom durch ein moderneres Hilfsmittel zu ersetzen.

Bild 6.2

Bild 6.2 zeigt den schematischen Aufbau der Versuchsanordnung: Auf das linke der beiden gleichgroßen Gewichte wird ein zusätzliches Gewicht gelegt. Das Gesamtgewicht beider Gewichte ist nun größer als das rechte Gewicht, so dass sich die links angeordneten Gewichte mit beschleunigter Geschwindigkeit nach unten bewegen. Die besondere Eigenschaft dieser Fallmaschine besteht darin, dass das Maß der Beschleunigung ausschließlich von der Größe des Zusatzgewichtes abhängt. Eine ausgeklügelt angeordnete Öffnung im Fallweg bewirkt, dass das zusätzliche Gewicht inmitten des Beschleunigungsvorgangs zurückgehalten wird, weil es durch diese nicht hindurch passt. Von diesem Moment an sind beide Gewichte wieder gleich schwer, und die Bewegung wird von nun an mit konstanter Geschwindigkeit fortgesetzt, wenn man solche Größen wie Luftwiderstand und Rollreibung einmal außer Acht lässt. Der Verlauf der gesamten Bewegung (zuerst beschleunigt, dann konstant) lässt sich dabei recht gut mit einem Ultraschall-Entfernungsmesser verfolgen, wobei das rechte

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7 ● Von Winkeln und schiefen Ebenen

7. Von Winkeln und schiefen Ebenen

Bild 7.1. So wird das Poti an den Arduino angeschlossen.

Auf Grund seiner Rechenleistung kann der Arduino natürlich auch als Winkelmesser eingesetzt werden – zum Beispiel, um die Neigung einer schiefen Ebene zu bestimmen. Zur Erfassung des zu messenden Winkels eignet sich ein Potentiometer recht gut, wobei Widerstandswert und mechanischer Aufbau des verwendeten Potis von untergeordneter Bedeutung sind. Werte zwischen 10 k und 100 k sind recht gut geeignet. Ein Poti überstreicht einen Winkel von ca. 270 Grad (bitte nachmessen). Die einstellbare Spannung erstreckt sich dabei von 0 bis 5 V. Das entspricht (bei 270 Grad) einem Wert von 18,5 mV pro Grad. Hier der relativ kurze Sketch: // Winkelmessung int poti = A0; int spannung; int winkel; void setup() { pinMode(poti, INPUT); Serial.begin(9600); } void loop() { spannung = analogRead (poti); winkel = spannung / 18.5; Serial.println(winkel); delay(100); }

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● Nachwort

Nachwort Technik soll kompliziert sein? Dieses Buch zeigt, dass das Gegenteil zutrifft: Technik macht Spaß und ist lehrreich. Unter Hinzugabe einer Prise Elektronik lassen sich sogar viele gute Ideen in praktisch verwertbare Geräte umsetzen – von dem sich daraus ergebenden Wissensvorsprung gegenüber anderen Kollegen ganz zu schweigen. Als Autor, der die Wünsche seiner Leser stets im Auge behält, hat mir die Arbeit an diesem Buch sehr viel Freude bereitet; eine Freude, die sich hoffentlich auch auf meine Leser überträgt.

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Der Autor zeigt anschaulich, wie man die unterschiedlichsten, physikalischen Experimente mit modernen Hilfsmitteln wie zum Beispiel der Arduino-Plattform sinnvoll ergänzen kann.

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36 FASZINIERENDE PROJEKTE FÜR SCHULE UND HOBBY

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