Reaktionszeit im virtuellen Labor: der Linealfalltest

Dieses Material misst die Reaktionszeit im virtuellen Labor und folgt dem Pflichtversuch (required practical) von AQA GCSE zur Reaktionszeit des Menschen. Die Lernenden fangen zuerst selbst ein fallendes Lineal und rechnen jede Fallstrecke mit t = √(2d/g) in eine Zeit um. Dann wechseln sie zu einer simulierten Klasse mit bis zu 40 Schülerinnen und Schülern und vergleichen vier Faktoren: das Signal sehen oder hören, die dominante oder nicht dominante Hand, konzentriert oder abgelenkt, ohne oder mit Koffein. Am Ende haben sie Mittelwerte, Spannweiten und Ausreißer und verstehen, warum ein einzelnes Ergebnis einer Person nichts beweist. Jede Zahl aus den Klassendaten unten wurde in der Simulation abgelesen.

Lehrplanbezug

• AQA GCSE Biology: Spezifikation 4.5.2.1, Aufbau und Funktion des Nervensystems, und der Pflichtversuch zum Einfluss eines Faktors auf die Reaktionszeit des Menschen. Der Kurs Combined Science hat denselben Pflichtversuch.
• NGSS MS-LS1-8 (US-Standard): Sinnesrezeptoren reagieren auf Reize, indem sie Signale an das Gehirn senden.
• Simulic ist weder mit dem College Board noch mit AQA verbunden und wird von ihnen nicht unterstützt.

In Deutschland passt der Versuch zu Nervensystem, Reiz und Reaktion im Biologieunterricht der Sekundarstufe I.

Vor dem Experiment (5 min)

Fragen Sie: „Die Lernenden fangen das Lineal, während sie von 100 in Siebenerschritten rückwärts zählen. Wie verhält sich ihre mittlere Reaktionszeit im Vergleich zum konzentrierten Fangen?“ Die Lernenden wählen länger, kürzer oder gleich und schreiben einen Grund auf. Auf einem Klassenlink ist das Frage 1; die Simulation wird freigegeben, sobald sie geantwortet haben.

Durchführung in der Simulation

Teil 1: die eigene Reaktionszeit (10 min).

1. Behalten Sie Modus: Eigene Reaktionszeit testen, Reiz: Lineal fallen sehen, Dominante Hand, Lineal 50 cm und 5 Versuche bei.
2. Tippen Sie auf das Bild oder drücken Sie die Leertaste. Das Lineal fällt zu einem zufälligen Zeitpunkt; fangen Sie es, sobald es sich bewegt.
3. Notieren Sie d und t für jeden Versuch. Klicken Sie auf eine Zeile, um die Umrechnung d → t zu sehen. Wiederholen Sie mit der nicht dominanten Hand.

Die eigenen Zeiten enthalten die Verzögerung von Bildschirm und Maus oder Touchscreen. Vergleichen Sie sie daher nur untereinander.

Teil 2: die simulierte Klasse (20 min).

1. Klicken Sie auf Zurücksetzen. Wählen Sie Modus: Simulierte Klassendaten, Schüler 20, Versuche pro Bedingung 5 und Lineal 50 cm. Klicken Sie nicht auf Neue Klasse, damit alle dieselben Daten sehen.
2. Notieren Sie für jede Option unter Vergleich das mittlere t von A und B und den mittleren Unterschied B − A.
3. Wählen Sie Vergleich: Ohne oder mit Koffein, Schüler 5, Versuche 2 und klicken Sie auf Zurücksetzen. Notieren Sie den Unterschied B − A, klicken Sie auf Neue Klasse und notieren Sie erneut: insgesamt fünf Klassen. Wiederholen Sie dann mit Schüler 40 und Versuche 10.

Vergleich	Mittleres t, A (s)	Mittleres t, B (s)	B − A (s)	Lernende schneller in B
Sehen oder Hören
Dominante oder nicht dominante Hand
Konzentriert oder abgelenkt
Ohne oder mit Koffein

Erwartete Ergebnisse

Nach Zurücksetzen, mit 20 Schülern, 5 Versuchen und einem 50-cm-Lineal, ergibt Bedingung A bei jedem Vergleich ein mittleres t von 0,230 s (Spannweite 0,188–0,265 s, mittleres d 26,3 cm), weil jedes Mal dieselben Lernenden messen. Bedingung B:

• Klicken hören: 0,200 s, ein Unterschied von −0,030 s; 17 von 20 Lernenden sind schneller;
• nicht dominante Hand: 0,233 s, +0,003 s; nur 7 von 20 sind schneller, es gibt also keinen klaren Effekt;
• abgelenkt: 0,259 s, +0,029 s; nur 3 von 20 sind schneller;
• Koffein: 0,214 s, −0,016 s; 15 von 20 sind schneller.

Koffein mit 5 Schülern und 2 Versuchen liefert jedes Mal ein anderes Ergebnis. Ab Zurücksetzen ergaben fünf Klassen +0,003, −0,016, −0,026, −0,004 und −0,011 s; eine Klasse zeigt also sogar, dass Koffein die Lernenden langsamer macht. Mit 40 Schülern und 10 Versuchen lagen alle fünf Klassen zwischen −0,008 und −0,013 s.

Fragen für die Lernenden

1. Vorhersage: Wie verhält sich die mittlere Reaktionszeit abgelenkter Lernender im Vergleich zu konzentrierten?
2. Was davon muss in einem fairen Linealfalltest gleich bleiben?
3. Ein Lineal wird nach einer Fallstrecke von d = 21,5 cm gefangen. Berechnen Sie die Reaktionszeit.
4. Klassendaten, Konzentriert oder abgelenkt: Berechnen Sie die prozentuale Zunahme des mittleren t.
5. Vergleichen Sie die Koffeindaten von 5 Schülern × 2 Versuchen mit 40 Schülern × 10 Versuchen. Erklären Sie, warum eine Schlussfolgerung viele Versuche und viele Personen braucht.

Antworten für Lehrkräfte:

1. Länger: Das Gehirn ist mit einer anderen Aufgabe beschäftigt.
2. Die Startposition des Lineals, mit der 0-Marke auf Höhe der Oberkante des Daumens.
3. t = √(2 × 0,215 ÷ 9,8) = 0,209 s (akzeptiert ± 0,002).
4. (0,259 − 0,230) ÷ 0,230 × 100 = 12,6 % (akzeptiert ± 1).
5. Der Effekt beträgt etwa 0,01 s, viel weniger als die Streuung zwischen Versuchen und zwischen Personen. Kleine Stichproben ergeben Unterschiede von +0,003 bis −0,026 s. Große stimmen eng überein, der Mittelwert ist also wiederholbar.

Häufige Fehlvorstellungen

• „Das Fangen des Lineals ist ein Reflex.“ Es ist eine bewusste Reaktion über das Gehirn, daher langsamer als ein Reflex, und sie verbessert sich mit Übung.
• „Doppelte Strecke bedeutet doppelte Zeit.“ d = ½gt², doppelte Zeit bedeutet also vierfache Strecke.
• „Mein schnellster Fang ist meine Reaktionszeit.“ Ein Fang unter 0,10 s ist geraten; die Simulation markiert ihn und lässt ihn aus dem Mittelwert heraus.
• „Ein Timer auf dem Gerät ist so gut wie ein echtes Lineal.“ Bildschirm und Eingabe fügen eine Verzögerung hinzu, die die Simulation mit etwa 0,02–0,08 s angibt.

Erweiterung

• Übungseffekt. Stellen Sie Diagramm: Nach Versuchsnummer (Übung) mit 10 Versuchen ein. Die ersten Versuche sind langsamer; fragen Sie, warum die Simulation die Hälfte der Klasse mit A beginnen lässt.
• Lineallänge. Fragen Sie, welche längste Zeit ein 30-cm-Lineal messen kann: √(2 × 0,30 ÷ 9,8) ≈ 0,25 s. Fragen Sie, warum langsamere Lernende das 50-cm-Lineal brauchen.

Häufige Fragen

Warum verwenden die Fragen die Klassendaten und nicht die eigenen Zeiten?

Die eigenen Zeiten sind bei allen verschieden, und jedes Gerät fügt seine eigene Verzögerung hinzu. Die Klassendaten sind nach Zurücksetzen für alle gleich, daher lassen sich die Antworten automatisch bewerten.

Ist die Koffein-Bedingung ethisch vertretbar?

Es sind nur simulierte Daten, deshalb steht sie in der Simulation. Für einen Schulversuch sollten Lernende kein Koffein bekommen.

Ersetzt das den echten Laborversuch?

Nicht für AQA: Pflichtversuche müssen weiterhin von Hand durchgeführt werden. Nutzen Sie die Simulation, um den Test zu planen, die Umrechnung d → t zu üben und einen großen Datensatz auszuwerten. Siehe virtuelle Labore und echte Labore im Vergleich.

Verwandte Simulationen und Leitfäden

Neuron – Aktionspotential und Erregungsleitung Freier Fall und Fall mit Luftwiderstand

Um die Vorhersage als Klassengespräch zu nutzen, siehe Vorhersagen, Beobachten, Erklären mit Simulationen.