Wees 'n skandeermikroskoop
Hierdie les ondersoek hoe hierdie mikroskope die oppervlak van materiale op nanovlak meet. Studente werk in spanne om meer te wete te kom oor skandering -probemikroskope (SPM's), en gebruik dan 'n potlood om die vorm van voorwerpe wat hulle nie kan sien nie, visueel te voel. Op grond van die aanraking deur die potlood, boots studente die funksie van die SPM na. Hulle teken wat hulle gedagtes 'gesien' het.
- Lees meer oor nanotegnologie.
- Kom meer te wete oor die skandering van ondersoekmikroskope.
- Lees hoe ingenieurswese kan help om die uitdagings van die samelewing op te los.
Ouderdomsvlakke: 8-12
Boumateriaal (vir elke span)
Vereiste materiaal vir klaskamer
- Doos met item aan die onderkant aangebring (liniaal, papierbeker, baksteen, stuk vrugte)
- Maak 'n geblinddoek of sny 'n gat in die boks sodat studente hul hand en 'n potlood binne kan sit, sonder om te sien wat in die boks is.
Vereiste materiaal vir spanne
- Paper
- Pen
- Potlood
- Toegang tot die internet, opsioneel
Design Challenge
U is 'n span ingenieurs wat die uitdaging het om 'n potloodsonde te gebruik om twee verskillende voorwerpe in 'n boks te "voel" (sonder om die voorwerpe te sien). Vervolgens sal u teken wat u 'gesien' het en as 'n span saamstem oor wat die voorwerp in die boks kan wees. Dan ontwikkel spanne 'n gedetailleerde tekening met die voorwerp waarop u ooreengekom het.
Kriteria
- Moet 'n potlood gebruik om die voorwerpe te "voel".
- Moet nie die voorwerpe kan sien nie (óf 'n blinddoek óf 'n gat wat in die boks gesny is om by 'n hand en potlood te pas)
beperkings
- Gebruik slegs die materiaal wat voorsien word.
Tyd benodig: Een tot twee sessies van 45 minute.
- Verdeel klas in spanne van 2-4.
- Deel die Be a Scanning Probe -mikroskoop -werkblad uit.
- Bespreek die onderwerpe in die afdeling Agtergrondbegrippe. Vra studente om te oorweeg hoe ingenieurs die oppervlak meet van dinge wat te klein is om te sien. As internet beskikbaar is, deel die virtuele mikroskoop (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- Hersien die proses van ingenieursontwerp, ontwerpuitdaging, kriteria, beperkings en materiale.
- Voorsien elke span van hul materiaal.
- Verduidelik dat studente 'n potlood moet gebruik om twee verskillende voorwerpe in 'n boks (geblinddoek) te "voel". Vervolgens sal hulle teken wat hulle 'gesien' het en as 'n span saamstem oor wat die voorwerp in die boks kan wees. Uiteindelik ontwikkel spanne 'n gedetailleerde tekening met die voorwerp waarop hulle ooreengekom het.
- Kondig die tyd aan wat hulle nodig het om die aktiwiteit te voltooi (1 uur aanbeveel).
- Gebruik 'n timer of 'n aanlyn stophorlosie (aftelfunksie) om te verseker dat u betyds bly. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Gee studente gereelde "tydkontroles" sodat hulle aan die gang kan bly. As u sukkel, stel vrae wat hulle vinniger tot 'n oplossing sal lei.
- Leer studente om die volgende te doen:
- Elke leerling in die span gebruik beurte om 'n potloodsonde te gebruik om die vorm te bepaal om voorwerpe in 'n boks te identifiseer. U mag geblinddoek wees, of 'n gat in 'n boks laat sny sodat u hand en potlood binne kan wees sonder dat u sien wat in die boks is.
- Gebruik slegs die punt van die potlood om die inhoud of oppervlak van die onderkant van die boks te ondersoek.
- Hou in gedagte tred met die hoogte van die voorwerpe wat u aanvoel, hul vorm en algehele grootte.
- Teken vervolgens wat u 'op 'n stuk papier gesien het - u kan 'n bo- en syaansig oorweeg om te bepaal wat in die boks is.
- As elke student in die span die ondersoek gedoen het, werk saam en deel u tekeninge en menings oor wat in die boks is. Kom saam as 'n konsensus en ontwikkel 'n finale tekening met geskatte metings van die voorwerp.
- Spanne bied u idees, tekeninge en metings aan die klas aan en luister na die aanbiedings van die ander spanne. Hulle moet vergelyk hoe naby hul span was om die werklike grootte en vorm te bepaal.
- Bespreek tydens die klas die student se refleksievrae.
- Vir meer inligting oor die onderwerp, sien die afdeling "Dieper grawe".
Opsionele uitbreidingsaktiwiteit
Laat studente met een hand wat hulle voel in die boks weerspieël deur gelyktydig op papier met die ander hand te teken.
Student Reflection (ingenieursboek)
- Hoe akkuraat was die span in terme van die vorm om die voorwerp te identifiseer? Wat het jy in die boks gevind?
- Hoe akkuraat was u span om die werklike grootte van die voorwerp in die boks te bepaal?
- Met watter persentasie was u grootte bereken van die werklike grootte van die voorwerp in die boks?
- Dink u dat die hoeveelheid tyd wat u geneem het om in die boks met die sonde te "sien", beïnvloed het hoe akkuraat u bevindings was?
- Het u gedink dat die werk as 'n span hierdie projek makliker of moeiliker gemaak het? Hoekom?
Tydwysiging
Die les kan binne 1 klasperiode vir ouer studente gedoen word. Om studente egter te help om gejaagd te voel en om studentesukses te verseker (veral vir jonger studente), moet u die les in twee periodes verdeel en sodoende studente meer tyd gee om te dink, idees te toets en hul ontwerp te finaliseer. Doen die toets en bespreking in die volgende klasperiode.
Wat is nanotegnologie?
Stel jou voor dat jy die beweging van 'n rooibloedsel kan sien terwyl dit deur jou aar beweeg. Hoe sou dit wees om die natrium- en chlooratome waar te neem terwyl dit naby genoeg is om elektrone eintlik oor te dra en 'n soutkristal te vorm of die vibrasie van molekules waar te neem namate die temperatuur in 'n pan water styg? As gevolg van gereedskap of 'omvang' wat die afgelope paar dekades ontwikkel en verbeter is, kan ons situasies soos baie van die voorbeelde aan die begin van hierdie paragraaf waarneem. Hierdie vermoë om materiale op molekulêre of atoomskaal waar te neem, te meet en selfs te manipuleer, word nanotegnologie of nanowetenskap genoem. As ons 'n nano "iets" het, het ons 'n miljardste van daardie iets. Wetenskaplikes en ingenieurs pas die nano -voorvoegsel toe op baie "iets", insluitend meterslengte), sekondes (tyd), liter (volume) en gram (massa) om 'n baie klein hoeveelheid te beskryf. Nano word meestal op die lengteskaal toegepas en ons meet en praat oor nanometers (nm). Individuele atome is kleiner as 1 nm in deursnee, en dit neem ongeveer 10 waterstofatome in 'n ry om 'n lyn van 1 nm lank te vorm. Ander atome is groter as waterstof, maar het steeds diameters kleiner as 'n nanometer. 'N Tipiese virus is ongeveer 100 nm in deursnee en 'n bakterie is ongeveer 1000 nm van kop tot stert. Die gereedskap waarmee ons die voorheen onsigbare wêreld van die nanoskaal kon waarneem, is die Atomic Force Microscope en die Scanning Electron Microscope.
Hoe groot is klein?
Dit kan moeilik wees om te visualiseer hoe klein dinge op die nanoskaal is. Die volgende oefening kan u help om te visualiseer hoe groot klein kan wees! Beskou 'n rolbal, 'n biljartbal, 'n tennisbal, 'n gholfbal, 'n marmer en 'n ertjie. Dink aan die relatiewe grootte van hierdie items.
Elektronmikroskoop
Die skande-elektronmikroskoop is 'n spesiale soort elektronmikroskoop wat beelde van 'n monsteroppervlak skep deur dit te skandeer met 'n hoë-energie-bundel elektrone in 'n rasterskanderingspatroon. In 'n rasterskandering word 'n beeld opgesny in 'n reeks (gewoonlik horisontale) stroke, bekend as 'skanderingslyne'. Die elektrone interaksie met die atome waaruit die monster bestaan en bring seine voort wat data verskaf oor die oppervlak se vorm, samestelling en selfs of dit elektrisiteit kan gelei. Baie beelde wat met skande-elektronmikroskope geneem is, kan gesien word www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Atoomkragmikroskope
Beeld op die Nano -skaal
Om te "sien" hoe die oppervlak van materiale op die nanoskaal lyk, het ingenieurs 'n reeks toestelle en stelsels ontwikkel om te ondersoek hoe die oppervlak van 'n voorwerp optree. U kan baie beelde sien by Dartmouth Electron Microscope Facility op www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Atoomkragmikroskope
'N Atomic Force -mikroskoop is 'n spesiale tipe skandeermikroskoop (SPM) wat inligting versamel deur 'n sonde te gebruik om oor die oppervlak van 'n onderwerp te raak of te beweeg. Die resolusie is baie hoog, op 'n breukdeel van 'n nanometer. Die AFM is in 1982 by IBM uitgevind en die eerste atoomkragmikroskoop wat in die handel beskikbaar is, is in 1989 bekendgestel. Die AFM is steeds een van die belangrikste instrumente vir die meting en beelding van iets op die nanoskaal. Dit kan baie akkuraat 'n driedimensionele prentjie of topografie van 'n monster ontwikkel en het baie toepassings. As u u kan voorstel dat u u oë sluit en die punt van 'n potlood gebruik om uit te vind watter voorwerp in 'n boks was, kan u u voorstel hoe hierdie tipe mikroskoop werk! Een voordeel van 'n Atomic Force -mikroskoop is dat dit nie 'n spesiale omgewing benodig nie, en goed werk in 'n gemiddelde omgewing, of selfs in vloeistof. Dit maak dit moontlik om biologie op makromolekuulvlak te ondersoek, of selfs lewende organismes te hersien.
Internet verbindings
Verder lees
- Skanderingsondemikroskopie: Die laboratorium op 'n wenk (gevorderde tekste in fisika) (ISBN: 978-3642077371)
- Skandering sonde mikroskopie (ISBN: 978-3662452394)
Skryfaktiwiteit
Skryf 'n opstel of paragraaf oor hoe vordering deur nanotegnologie die gebied van gesondheidsorg en medisyne beïnvloed het.
Belyning by kurrikulumraamwerke
let wel: Lesplanne in hierdie reeks stem ooreen met een of meer van die volgende standaarde:
- S. Standaarde vir wetenskaponderwys (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Volgende generasie wetenskaplike standaarde (http://www.nextgenscience.org/)
- Internasionale Tegnologie-onderwysvereniging se standaarde vir tegnologiese geletterdheid (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Beginsels en standaarde vir skoolwiskunde van die Nasionale Raad vir Wiskunde-onderwysers (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. Algemene kerntoestande vir wiskunde (http://www.corestandards.org/Math)
- Rekenaarwetenskaponderwysersvereniging K-12 Rekenaarwetenskapstandaarde (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Nasionale Wetenskaplike Onderwysstandaarde Graad K-4 (ouderdomme 4-9)
INHOUDSTANDAARD A: Wetenskap as ondersoek
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente ontwikkel
- Vermoëns wat nodig is om wetenskaplike ondersoeke te doen
- Begrip oor wetenskaplike ondersoek
INHOUDSTANDAARD B: Natuur- en Skeikunde
As gevolg van die aktiwiteite moet alle studente 'n begrip van ontwikkel
- Eienskappe van voorwerpe en materiale
- Posisie en beweging van voorwerpe
INHOUDSTANDAARD E: Wetenskap en Tegnologie
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente ontwikkel
- Vermoëns van tegnologiese ontwerp
INHOUDSTANDAARD F: Wetenskap in persoonlike en sosiale perspektiewe
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente begrip ontwikkel vir
- Wetenskap en tegnologie in plaaslike uitdagings
INHOUDSTANDAARD G: Geskiedenis en aard van die wetenskap
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente begrip ontwikkel vir
- Wetenskap as menslike strewe
Nasionale Wetenskaplike Onderwysstandaarde Graad 5-8 (ouderdomme 10-14)
INHOUDSTANDAARD A: Wetenskap as ondersoek
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente ontwikkel
- Vermoëns wat nodig is om wetenskaplike ondersoeke te doen
- Begrip oor wetenskaplike ondersoek
INHOUDSTANDAARD B: Natuur- en Skeikunde
As gevolg van hul aktiwiteite, moet alle studente 'n begrip van ontwikkel
- Eienskappe en veranderinge van eiendomme in materie
INHOUDSTANDAARD E: Wetenskap en Tegnologie
As gevolg van aktiwiteite in graad 5-8, moet alle studente ontwikkel
- Vermoëns van tegnologiese ontwerp
- Begrip oor wetenskap en tegnologie
INHOUDSTANDAARD F: Wetenskap in persoonlike en sosiale perspektiewe
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente begrip ontwikkel vir
- Wetenskap en tegnologie in die samelewing
Nasionale Wetenskaplike Onderwysstandaarde Graad 5-8 (ouderdomme 10-14)
INHOUDSTANDAARD G: Geskiedenis en aard van die wetenskap
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente begrip ontwikkel vir
- Wetenskap as menslike strewe
- Aard van die wetenskap
Nasionale Wetenskaplike Onderwysstandaarde Graad 9-12 (ouderdomme 14-18)
INHOUDSTANDAARD A: Wetenskap as ondersoek
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente ontwikkel
- Vermoëns wat nodig is om wetenskaplike ondersoeke te doen
- Begrip oor wetenskaplike ondersoek
INHOUDSTANDAARD B: Natuur- en Skeikunde
As gevolg van hul aktiwiteite moet alle studente begrip ontwikkel vir
- Struktuur en eienskappe van materie
INHOUDSTANDAARD E: Wetenskap en Tegnologie
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente ontwikkel
- Vermoëns van tegnologiese ontwerp
- Begrip oor wetenskap en tegnologie
INHOUDSTANDAARD F: Wetenskap in persoonlike en sosiale perspektiewe
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente begrip ontwikkel vir
- Wetenskap en tegnologie in plaaslike, nasionale en wêreldwye uitdagings
INHOUDSTANDAARD G: Geskiedenis en aard van die wetenskap
As gevolg van aktiwiteite moet alle studente begrip ontwikkel vir
- Wetenskap as menslike strewe
- Aard van wetenskaplike kennis
- Historiese perspektiewe
Volgende generasie wetenskapstandaarde graad 2-5 (ouderdomme 7-11)
Studente wat begrip toon, kan:
Materie en die interaksies daarvan
- 5-PS1-1. Ontwikkel 'n model om te beskryf dat materie bestaan uit deeltjies wat te klein is om gesien te word.
- 5-PS1-3. Maak waarnemings en metings om materiale op grond van hul eienskappe te identifiseer.
Standaarde vir tegnologiese geletterdheid - alle eeue
Die aard van tegnologie
- Standaard 1: Studente sal 'n begrip ontwikkel van die kenmerke en omvang van tegnologie.
- Standaard 2: Studente ontwikkel begrip vir die kernkonsepte van tegnologie.
- Standaard 3: Studente sal 'n begrip ontwikkel van die verwantskappe tussen tegnologieë en die verbande tussen tegnologie en ander studierigtings.
Tegnologie en samelewing
- Standaard 4: Studente sal 'n begrip ontwikkel van die kulturele, sosiale, ekonomiese en politieke effekte van tegnologie.
- Standaard 6: Studente sal 'n begrip ontwikkel van die rol van die samelewing in die ontwikkeling en gebruik van tegnologie.
- Standaard 7: Studente sal 'n begrip ontwikkel van die invloed van tegnologie op die geskiedenis.
Vermoëns vir 'n tegnologiese wêreld
Standaard 13: Studente ontwikkel vaardighede om die impak van produkte en stelsels te beoordeel.
Probeer om 'n skanderingsondemikroskoop te wees!
Navorsingsfase
Lees die materiaal wat u onderwyser aan u verskaf het. As u toegang tot die internet het, kan u ook die tutoriaal op hierdie webwerf sien: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Dit sal illustreer hoe die skandeermikroskope werk en u help om te verstaan hoe u 'n soortgelyke taak deur hierdie aktiwiteit sal verrig.
Probeer dit!
Elke student in u span sal om die beurt 'n potloodsonde gebruik om die vorm of die voorwerp in 'n boks te identifiseer. U mag geblinddoek wees, of 'n gat in 'n boks laat sny sodat u hand en potlood binne kan wees sonder dat u sien wat in die boks is.
Gebruik slegs die punt van die potlood om die inhoud of oppervlak van die onderkant van die boks te ondersoek. Hou in gedagte tred met die hoogte van die voorwerpe wat u aanvoel, hul vorm en algehele grootte.
Teken vervolgens wat u 'op 'n stuk papier gesien het - u kan 'n bo- en syaansig oorweeg om te bepaal wat in die boks is.
As elke student in die span die ondersoek gedoen het, werk saam en deel u tekeninge en menings oor wat in die boks is. Kom saam as 'n konsensus en ontwikkel 'n finale tekening met geskatte metings van die voorwerp
Aanbiedings- en refleksiefase
Bied u idees, tekeninge en metings aan die klas voor, en luister na die aanbiedings van die ander spanne. Kyk hoe naby u span of die ander spanne was om die werklike grootte en vorm te bepaal. Voltooi dan die refleksieblad.
Refleksie
Voltooi die refleksievrae hieronder:
- Hoe akkuraat was die span in terme van die vorm om die voorwerp te identifiseer? Wat het jy in die boks gevind?
- Hoe akkuraat was u span om die werklike grootte van die voorwerp in die boks te bepaal?
- Met watter persentasie was u grootte bereken van die werklike grootte van die voorwerp in die boks?
- Dink u dat die hoeveelheid tyd wat u geneem het om in die boks met die sonde te "sien", beïnvloed het hoe akkuraat u bevindings was?
- Het u gedink dat die werk as 'n span hierdie projek makliker of moeiliker gemaak het? Hoekom?
Lesplanvertaling