كن مجهر مسبار المسح
يستكشف هذا الدرس كيفية قياس هذه المجاهر لسطح المواد على مستوى النانو. يعمل الطلاب في فرق لمعرفة المزيد عن مجاهر مسبار المسح (SPM) ، ثم يستخدمون قلم رصاص ليشعروا بصريًا بشكل الأشياء التي لا يمكنهم رؤيتها. بناءً على حاسة اللمس من خلال قلم الرصاص ، يقوم الطلاب بتقليد وظيفة SPM. يرسمون ما "رآه" أذهانهم.
- تعرف على تقنية النانو.
- تعرف على مجاهر المسح الضوئي.
- تعلم كيف يمكن للهندسة أن تساعد في حل تحديات المجتمع.
مستويات العمر: 8-12
مواد البناء (لكل فريق)
المواد المطلوبة للفصول الدراسية
- صندوق به عنصر مثبت في الأسفل (مسطرة ، كوب ورقي ، قرميد ، قطعة فاكهة)
- قم بعصب العينين أو قطع فتحة في الصندوق حتى يتمكن الطلاب من وضع أيديهم وقلم رصاص بداخله ، دون رؤية ما بداخل الصندوق.
المواد المطلوبة للفرق
- ورق
- أقلام
- قلم حواجب
- الوصول إلى الإنترنت ، اختياري
تصميم التحدي
أنت فريق من المهندسين أمام التحدي المتمثل في استخدام مسبار قلم رصاص "ليشعر" بشيئين مختلفين داخل صندوق (بدون رؤية الأشياء). بعد ذلك ، سترسم ما "رأيته" ويتفق كفريق على ماهية الكائن الموجود في المربع. بعد ذلك ، تقوم الفرق بتطوير رسم تفصيلي يوضح الشيء الذي وافقت عليه.
المعايير
- يجب استخدام قلم رصاص "ليشعر" بالأشياء.
- يجب ألا يكون قادرًا على رؤية الأشياء (إما معصوب العينين أو ثقب في الصندوق لتناسب يد وقلم رصاص)
القيود
- استخدم فقط المواد المقدمة.
الوقت اللازم: جلسة إلى جلستين مدة كل منهما 45 دقيقة.
- قسّم الفصل إلى فرق مكونة من 2-4 أفراد.
- وزع ورقة عمل Be a Scanning Probe Microscope.
- ناقش الموضوعات في قسم المفاهيم الأساسية. اطلب من الطلاب التفكير في كيفية قياس المهندسين لسطح الأشياء الصغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها. إذا كان الإنترنت متاحًا ، فشارك The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- مراجعة عملية التصميم الهندسي وتحدي التصميم والمعايير والقيود والمواد.
- زود كل فريق بالمواد الخاصة به.
- اشرح أنه يجب على الطلاب استخدام قلم رصاص "ليشعروا" بشيئين مختلفين داخل صندوق (معصوب العينين). بعد ذلك ، سيرسمون ما "رأوه" ويتفقون كفريق على ماهية الكائن الموجود في الصندوق. أخيرًا ، تقوم الفرق بتطوير رسم تفصيلي يوضح الشيء الذي اتفقوا عليه.
- أعلن عن مقدار الوقت المتاح لهم لإكمال النشاط (يوصى بساعة واحدة).
- استخدم مؤقتًا أو ساعة توقيت على الإنترنت (ميزة العد التنازلي) لضمان مواكبة الوقت. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). امنح الطلاب "فحوصات زمنية" منتظمة حتى يظلوا في المهمة. إذا كانوا يعانون ، اطرح أسئلة ستقودهم إلى حل أسرع.
- وجه الطلاب للقيام بما يلي:
- يتناوب كل طالب في الفريق باستخدام مسبار قلم رصاص لتحديد الشكل لتحديد الأشياء في صندوق. قد تكون معصوب العينين ، أو يكون لديك ثقب في صندوق بحيث يمكن أن تكون يدك وقلم الرصاص بالداخل دون أن ترى ما بداخل الصندوق.
- استخدم رأس القلم فقط لفحص المحتوى أو مساحة السطح أسفل الصندوق.
- في عقلك ، تتبع ارتفاع الأشياء التي تشعر بها وشكلها وحجمها الكلي.
- بعد ذلك ، ارسم ما "رأيته" على قطعة من الورق - قد ترغب في التفكير في عرض علوي وجانبي للمساعدة في تحديد ما هو موجود في الصندوق.
- عندما ينتهي كل طالب في الفريق من التحقيق ، اعملوا معًا وشاركوا رسوماتكم وآرائكم حول ما هو موجود في الصندوق. توصل إلى إجماع كفريق وقم بتطوير رسم نهائي يتضمن القياسات المقدرة للكائن.
- تقدم الفرق أفكارك ورسوماتك وقياساتك إلى الفصل ، وتستمع إلى العروض التقديمية للفرق الأخرى. يجب عليهم مقارنة مدى قرب فريقهم من تحديد الحجم والشكل الفعليين.
- كالفصل ، ناقش أسئلة تأمل الطالب.
- لمزيد من المحتوى حول هذا الموضوع ، راجع قسم "التعميق".
نشاط التمديد الاختياري
اطلب من الطلاب عكس ما "يشعرون به" في المربع بيد واحدة ، من خلال الرسم في نفس الوقت على الورق باليد الأخرى.
انعكاس الطالب (دفتر هندسي)
- ما مدى دقة فريقك من حيث الشكل في تحديد الكائن؟ ماذا وجدت في الصندوق؟
- ما مدى دقة فريقك في تحديد الحجم الفعلي للعنصر الموجود في الصندوق؟
- ما هي النسبة المئوية التي تم تقدير حجمها من الحجم الفعلي للعنصر في المربع؟
- هل تعتقد أن مقدار الوقت الذي استغرقته "لرؤية" داخل الصندوق باستخدام المسبار قد أثر على مدى دقة النتائج التي توصلت إليها؟
- هل تعتقد أن العمل الجماعي جعل هذا المشروع أسهل أو أصعب؟ لماذا ا؟
تعديل الوقت
يمكن إجراء الدرس في أقل من فصل دراسي واحد للطلاب الأكبر سنًا. ومع ذلك ، لمساعدة الطلاب على الشعور بالاندفاع ولضمان نجاح الطلاب (خاصة للطلاب الأصغر سنًا) ، قم بتقسيم الدرس إلى فترتين لإعطاء الطلاب مزيدًا من الوقت لطرح الأفكار واختبار الأفكار ووضع اللمسات الأخيرة على تصميمهم. قم بإجراء الاختبار واستخلاص المعلومات في الفصل الدراسي التالي.
ما هي تقنية النانو؟
تخيل أن تكون قادرًا على مراقبة حركة خلايا الدم الحمراء أثناء تحركها عبر الوريد. كيف سيكون شكل ملاحظة ذرات الصوديوم والكلور عندما تقترب بدرجة كافية لنقل الإلكترونات فعليًا وتشكيل بلورة ملحية أو ملاحظة اهتزاز الجزيئات مع ارتفاع درجة الحرارة في وعاء من الماء؟ بسبب الأدوات أو "النطاقات" التي تم تطويرها وتحسينها خلال العقود القليلة الماضية ، يمكننا ملاحظة مواقف مثل العديد من الأمثلة في بداية هذه الفقرة. تسمى هذه القدرة على مراقبة المواد وقياسها وحتى معالجتها على المستوى الجزيئي أو الذري بتقنية النانو أو علم النانو. إذا كان لدينا "شيء" نانو ، فلدينا واحد من المليار من هذا الشيء. يطبق العلماء والمهندسون بادئة النانو على العديد من "الأشياء" بما في ذلك الطول بالأمتار) والثواني (الوقت) واللترات (الحجم) والجرام (الكتلة) لتمثيل ما يمكن فهمه بكمية صغيرة جدًا. غالبًا ما يتم تطبيق النانو على مقياس الطول ونقيس ونتحدث عن نانومتر (نانومتر). يبلغ قطر الذرات الفردية أقل من 1 نانومتر ، حيث تأخذ حوالي 10 ذرات هيدروجين على التوالي لإنشاء خط طوله 1 نانومتر. الذرات الأخرى أكبر من الهيدروجين ولكن أقطارها أقل من نانومتر. يبلغ قطر الفيروس النموذجي حوالي 100 نانومتر والبكتيريا حوالي 1000 نانومتر من الرأس إلى الذيل. الأدوات التي سمحت لنا بمراقبة العالم غير المرئي سابقًا للمقياس النانوي هي مجهر القوة الذرية ومجهر المسح الإلكتروني.
ما هو الحجم الصغير؟
قد يكون من الصعب تصور مدى صغر حجم الأشياء على المستوى النانوي. يمكن أن يساعدك التمرين التالي على تصور مدى صغر حجمك! فكر في كرة البولينج وكرة البلياردو وكرة التنس وكرة الجولف والرخام والبازلاء. فكر في الحجم النسبي لهذه العناصر.
مجهر المسح الإلكتروني
يعد المجهر الإلكتروني الماسح نوعًا خاصًا من المجهر الإلكتروني الذي ينشئ صورًا لسطح العينة عن طريق مسحه بشعاع عالي الطاقة من الإلكترونات في نمط المسح النقطي. في المسح النقطي ، يتم تقطيع الصورة إلى سلسلة من الشرائط (الأفقية عادةً) المعروفة باسم "خطوط المسح". تتفاعل الإلكترونات مع الذرات التي تشكل العينة وتنتج إشارات توفر بيانات حول شكل السطح وتكوينه وحتى ما إذا كان يمكنه توصيل الكهرباء. يمكن مشاهدة العديد من الصور التي تم التقاطها باستخدام المجاهر الإلكترونية الماسحة في www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
مجاهر القوة الذرية
التصوير بمقياس النانو
من أجل "رؤية" شكل سطح المواد على نطاق النانو ، طور المهندسون مجموعة من الأجهزة والأنظمة لاستكشاف كيفية تصرف سطح الجسم. يمكنك مشاهدة الكثير من الصور في Dartmouth Electron Microscope Facility على www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
مجاهر القوة الذرية
مجهر القوة الذرية هو نوع خاص من مجهر مجسات المسح (SPM) ، الذي يجمع المعلومات باستخدام مسبار للمس أو التحرك فوق سطح الجسم. الدقة عالية جدًا ، في جزء صغير من نانومتر. تم اختراع AFM في عام 1982 في شركة IBM وتم تقديم أول مجهر للقوة الذرية متاحًا تجاريًا في عام 1989. يظل AFM أحد أهم الأدوات لقياس وتصوير أي شيء بالمقياس النانوي. يمكن أن يطور بدقة صورة ثلاثية الأبعاد أو تضاريس لعينة ، وله العديد من التطبيقات. إذا كان بإمكانك تخيل إغلاق عينيك واستخدام طرف قلم رصاص لمعرفة الشيء الذي كان موجودًا في صندوق ، يمكنك أن تتخيل كيف يعمل هذا النوع من المجهر! تتمثل إحدى ميزات مجهر القوة الذرية في أنه لا يتطلب محيطًا خاصًا ، ويعمل جيدًا في بيئة متوسطة ، أو حتى في حالة سائلة. هذا يجعل من الممكن استكشاف علم الأحياء على مستوى الجزيئات الكبيرة ، أو حتى مراجعة الكائنات الحية.
اتصالات الإنترنت
اقتراحات للقراءة
- الفحص المجهري للمسبار: المختبر على رأس (نصوص متقدمة في الفيزياء) (ISBN: 978-3642077371)
- الفحص المجهري للمسبار (ISBN: 978-3662452394)
النشاط الكتابة
اكتب مقالًا أو فقرة حول كيفية تأثير التقدم في مجال تكنولوجيا النانو على مجال الرعاية الصحية والطب.
التوافق مع أطر المناهج
ملحوظة: تتوافق خطط الدروس في هذه السلسلة مع واحدة أو أكثر من مجموعات المعايير التالية:
- S. معايير تعليم العلوم (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- ق.معايير علوم الجيل القادم (http://www.nextgenscience.org/)
- معايير الرابطة الدولية لتعليم التكنولوجيا لمحو الأمية التكنولوجية (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. National Council of Teachers of Mathematics 'مبادئ ومعايير للرياضيات المدرسية (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- ق.معايير الدولة الأساسية المشتركة للرياضيات (http://www.corestandards.org/Math)
- معايير علوم الكمبيوتر لجمعية معلمي علوم الكمبيوتر K-12 (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
معايير تعليم العلوم الوطنية الصفوف K-4 (من 4 إلى 9 سنوات)
معيار المحتوى أ: العلم كاستعلام
نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير
- القدرات اللازمة لعمل البحث العلمي
- فهم البحث العلمي
معيار المحتوى ب: العلوم الفيزيائية
كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهم لها
- خصائص الأشياء والمواد
- موقف وحركة الأشياء
معيار المحتوى هـ: العلم والتكنولوجيا
نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير
- قدرات التصميم التكنولوجي
معيار المحتوى F: العلم من منظور شخصي واجتماعي
كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها
- العلم والتكنولوجيا في التحديات المحلية
معيار المحتوى ز: تاريخ وطبيعة العلوم
كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها
- العلم كمسعى بشري
معايير تعليم العلوم الوطنية من الصف الخامس إلى الثامن (من سن 5 إلى 8 عامًا)
معيار المحتوى أ: العلم كاستعلام
نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير
- القدرات اللازمة لعمل البحث العلمي
- تفاهمات حول الاستفسار العلمي
معيار المحتوى ب: العلوم الفيزيائية
كنتيجة لأنشطتهم ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهم
- خصائص وتغيرات خصائص المادة
معيار المحتوى هـ: العلم والتكنولوجيا
نتيجة للأنشطة في الصفوف 5-8 ، يجب أن يتطور جميع الطلاب
- قدرات التصميم التكنولوجي
- تفاهمات حول العلم والتكنولوجيا
معيار المحتوى F: العلم من منظور شخصي واجتماعي
كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها
- العلم والتكنولوجيا في المجتمع
معايير تعليم العلوم الوطنية من الصف الخامس إلى الثامن (من سن 5 إلى 8 عامًا)
معيار المحتوى ز: تاريخ وطبيعة العلوم
كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها
- العلم كمسعى بشري
- طبيعة العلم
معايير تعليم العلوم الوطنية من الصف الخامس إلى الثامن (من سن 9 إلى 12 عامًا)
معيار المحتوى أ: العلم كاستعلام
نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير
- القدرات اللازمة لعمل البحث العلمي
- تفاهمات حول الاستفسار العلمي
معيار المحتوى ب: العلوم الفيزيائية
كنتيجة لأنشطتهم ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها
- هيكل وخصائص المادة
معيار المحتوى هـ: العلم والتكنولوجيا
نتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير
- قدرات التصميم التكنولوجي
- تفاهمات حول العلم والتكنولوجيا
معيار المحتوى F: العلم من منظور شخصي واجتماعي
كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها
- العلم والتكنولوجيا في التحديات المحلية والوطنية والعالمية
معيار المحتوى ز: تاريخ وطبيعة العلوم
كنتيجة للأنشطة ، يجب على جميع الطلاب تطوير فهمها
- العلم كمسعى بشري
- طبيعة المعرفة العلمية
- وجهات نظر تاريخية
معايير الجيل القادم من العلوم للصفوف 2-5 (الأعمار 7-11)
يمكن للطلاب الذين يظهرون الفهم:
المادة وتفاعلاتها
- 5-PS1-1. قم بتطوير نموذج لوصف أن المادة مصنوعة من جزيئات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها.
- 5-PS1-3. قم بعمل ملاحظات وقياسات لتحديد المواد بناءً على خصائصها.
معايير محو الأمية التكنولوجية - جميع الأعمار
طبيعة التكنولوجيا
- المعيار 1: سيطور الطلاب فهمًا لخصائص ونطاق التكنولوجيا.
- المعيار 2: سيطور الطلاب فهمًا للمفاهيم الأساسية للتكنولوجيا.
- المعيار 3: سيطور الطلاب فهمًا للعلاقات بين التقنيات والصلات بين التكنولوجيا ومجالات الدراسة الأخرى.
التكنولوجيا والمجتمع
- المعيار 4: سيطور الطلاب فهمًا للآثار الثقافية والاجتماعية والاقتصادية والسياسية للتكنولوجيا.
- المعيار 6: سيطور الطلاب فهمًا لدور المجتمع في تطوير واستخدام التكنولوجيا.
- المعيار 7: سيطور الطلاب فهمًا لتأثير التكنولوجيا على التاريخ.
قدرات لعالم تكنولوجي
المعيار 13: سيطور الطلاب قدراتهم على تقييم تأثير المنتجات والأنظمة.
جرب يدك في أن تكون مجهر مسبار المسح!
مرحلة البحث
اقرأ المواد التي قدمها لك معلمك. إذا كان لديك وصول إلى الإنترنت ، فقم أيضًا بمشاهدة البرنامج التعليمي على هذا الموقع: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. سيوضح كيفية عمل مجاهر مسبار المسح ويساعدك على فهم كيفية أداء مهمة مماثلة من خلال هذا النشاط.
حاول!
سيتناوب كل طالب في فريقك باستخدام مسبار قلم رصاص لتحديد شكل أو تحديد كائن في صندوق. قد تكون معصوب العينين ، أو يكون لديك ثقب في صندوق بحيث يمكن أن تكون يدك وقلم الرصاص بالداخل دون أن ترى ما بداخل الصندوق.
استخدم رأس القلم فقط لفحص المحتوى أو مساحة السطح أسفل الصندوق. في عقلك ، تتبع ارتفاع الأشياء التي تشعر بها وشكلها وحجمها الكلي.
بعد ذلك ، ارسم ما "رأيته" على قطعة من الورق - قد ترغب في التفكير في عرض علوي وجانبي للمساعدة في تحديد ما هو موجود في الصندوق.
عندما ينتهي كل طالب في الفريق من التحقيق ، اعملوا معًا وشاركوا رسوماتكم وآرائكم حول ما هو موجود في الصندوق. توصل إلى إجماع كفريق وقم بتطوير رسم نهائي يتضمن القياسات المقدرة للكائن
مرحلة العرض والتفكير
اعرض أفكارك ورسوماتك وقياساتك على الفصل ، واستمع إلى العروض التقديمية للفرق الأخرى. تعرف على مدى قرب فريقك أو الفرق الأخرى من تحديد الحجم والشكل الفعليين. ثم أكمل ورقة الانعكاس.
انعكاس
أكمل أسئلة التفكير أدناه:
- ما مدى دقة فريقك من حيث الشكل في تحديد الكائن؟ ماذا وجدت في الصندوق؟
- ما مدى دقة فريقك في تحديد الحجم الفعلي للعنصر الموجود في الصندوق؟
- ما هي النسبة المئوية التي تم تقدير حجمها من الحجم الفعلي للعنصر في المربع؟
- هل تعتقد أن مقدار الوقت الذي استغرقته "لرؤية" داخل الصندوق باستخدام المسبار قد أثر على مدى دقة النتائج التي توصلت إليها؟
- هل تعتقد أن العمل الجماعي جعل هذا المشروع أسهل أو أصعب؟ لماذا ا؟
ترجمة خطة الدرس