Hochgeschwindigkeitskameras im Physikunterricht

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1 Allgemeines zu Hochgeschwindigkeitskameras 1.5. Experimentelle Bestimmung der tatsächlichen Framerate Nachdem die Zeitunschärfe in einem einzelnen Frame als vernachlässigbar klein gelten kann, bleibt noch die Frage, ob die gewählte Framerate tatsächlich exakt erreicht wird (vgl. [MV]). Bei einer qualitativen Betrachtung spielt dieser Effekt kaum eine Rolle. Bei der quantitativen Analyse werden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen eventuell mit systematischen Fehlern berechnet. Für dieses Experiment wird ein Fadenglühzähler benötigt. Das hier verwendete Modell ist der „Digitalzähler 575 50“ der Firma Leybold Heraeus, benötigt. Die Glühfadenanzeige hat den Vorteil, dass sie immer gut sichtbar ist. Neuere Digitalzähler zeigen oftmals nicht alle Zwischenwerte an, sodass sie für diese Betrachtungen ausscheiden. Das Experiment an sich ist relativ einfach: Der Digitalzähler ist so einzustellen, dass die Zeit auf Milisekunden genau dargestellt wird. Das Display wird mit den verschiedenen Frameraten aufgenommen. Als sinnvoll hat es sich herausgestellt, erst die Anzeige des Zählers einzuschalten, dann die Aufnahme zu beginnen, während der Aufnahme den Zeitmesser zu starten und ein bis zwei Sekunden lang laufen zu lassen. Die Aufnahmen können kameraintern oder mit dem Programm MPEG-Streamclip so zurecht geschnitten werden, dass das fertige Video laut Fadenglühzähler bei 0 ms beginnt und bis 2.000 ms läuft. Sofern das Video im avi-Format vorliegt, kann es direkt mit measure dynamics geöffnet und die Anzahl der im entsprechenden Zeitinervall aufgenommenen Frames abgelesen werden. Die Videos im mov-Format (wie die von der Casio EX F1) können mit dem kostenlosen Programm GSpot 12 ausgewertet werden. Mit dem Programm GSPOT kann allerdings nur die Gesamtanzahl der Frames eines Videos ausgelesen werden, nicht die Anzahl der vergangenen Frames bis zu einem bestimmten Zeitpunkt im Video. Casio EX F1: Bei der Casio EX F1 werden in zwei Sekunden bei eingestellten 300 fps statt 600 tatsächlich 624 fps aufgenommen (vgl. Video „Zeitzaehler-2s-300fps.mov“). Dies entspricht einer Framerate von 312 fps, was einer Abweichung von +4% vom Sollwert entspricht. Bei 600 fps beträgt die gemessene Framerate 607,5 fps (in zwei Sekunden werden 1215 Frames aufgenommen, vgl. „Zeitzaehler-2s-600fps.mov“), sie weicht also um +1,25% ab. Am genauesten wird die maximale Framerate bei eingestellten 1200 fps erreicht. In zwei Sekunden werden 2406 Frames aufgenommen, was 1203 fps, also einer Abweichung von 0,25%, entspricht (vgl. „Zeitzaehler-2s- 210fps.mov“). Casio EX FS10: Bei dieser, doch erheblich günstigeren Kamera, stellt sich heraus, dass bei eingestellten 210 fps und 420 fps auch tatsächlich 210 fps bzw. 420 fps aufgenommen werden (vgl. „Zeitzaehler-1s-210fps.avi“ und „Zeitzaehler-1s-420fps.avi“). Lediglich bei der höchsten Framerate weicht die Framerate um 0,7% ab und es werden statt 1000 fps tatsächlich 1007 fps aufgenommen (vgl. „Zeitzaehler-1s-1000fps.avi“). Diese Werte beruhen jeweils lediglich auf einer Messung, keiner Messreihe. Die Gründe und die Einflüsse auf die Abweichungen der Frameraten, wie zum Beispiel die extreme Änderung der Bildinformationen durch Lichtwechsel, wurden im Rahmen dieser Staatsexamensarbeit nicht weiter untersucht. Stattdessen liegen den jeweiligen Berechnungen 12 Dieses Programm ermittelt verschiedene Videoinformationen, wie beispielsweise den Codec der Audiound der Videodatei sowie das Containerformat des Filmes. 14
1.5 Experimentelle Bestimmung der tatsächlichen Framerate in Kapitel 3 für die Zeitintervalle die an der Kamera eingestellte Framerate zugrunde. Bei dieser systematischen Abweichung wurden beispielsweise alle Geschwindigkeiten und Beschleunigungen zu gering berechnet. Dies hat lediglich einen Einfluss auf die jeweiligen Absolutbeträge, jedoch nicht qualitative Ergebnisse, wie beispielsweise die Richtung der entsprechenden Pfeile. Anders verhält es sich bei den Energien und Energieumwandlungen, denn die kinetische Energie wird systematisch zu gering berechnet. Die Energieerhaltung kann auf diese Weise nicht nachgewiesen werden. Am deutlichsten tritt diese Abweichung beim Maxwellrad in Kapitel 3.4 bei der nicht ganz vollständigen Umwandlung von potentieller in kinetische und Rotationsenergie zu Tage. Es empfiehlt sich, die Abweichung der tatsächlichen von der eingestellten Framerate mitsammt ihren Ursachen in anderen Arbeiten genauer zu untersuchen. 15
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