Olge skaneeriva sondi mikroskoop

Materjalide koostamine (iga meeskonna jaoks)

Klassiruumis vajalikud materjalid

• Karp, mille põhjale on kinnitatud ese (joonlaud, paberitops, tellis, puuviljatükk)
• Silm kinni või lõika lahtrisse auk, et õpilased mahutaksid oma käe ja pliiatsi sisse, nägemata, mis karbis on. 

Vajalikud materjalid meeskonnale

• Paber
• Sulepea
• Pliiats
• Juurdepääs Internetile, valikuline

Design Challenge

Te olete inseneride meeskond, kellel on väljakutse kasutada pliiatsisondi kahe erineva objekti tundmiseks karbis (ilma objekte nägemata). Järgmisena joonistate selle, mida “nägite”, ja lepite meeskonnana kokku, mis kastis olev objekt võiks olla. Seejärel töötavad meeskonnad välja üksikasjaliku joonise, mis näitab teie poolt kokku lepitud objekti.

Kriteeriumid

• Objektide "tunnetamiseks" tuleb kasutada pliiatsit.
• Ei tohi näha objekte (kas silmaklapp või auk, mis on karbis lõigatud, et see sobiks käe ja pliiatsiga)

Piirangud

• Kasutage ainult kaasasolevaid materjale.

Vajalik aeg: üks kuni kaks 45 -minutilist seanssi.

1. Murdke klass võistkondadesse 2-4.
2. Jagage välja tööleht Be a Scanning Probe Microscope.
3. Arutage teemasid jaotises Taustamõisted. Paluge õpilastel mõelda, kuidas insenerid mõõdavad nähtavate asjade pinda. Kui Internet on saadaval, jagage virtuaalset mikroskoopi (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Vaadake üle projekteerimise protsess, disaini väljakutse, kriteeriumid, piirangud ja materjalid.
5. Varustage igat meeskonda nende materjalidega.
6. Selgitage, et õpilased peavad pliiatsi abil „tundma” kahte erinevat objekti karbis (silmsidemega). Seejärel joonistavad nad selle, mida nad “nägid”, ja lepivad meeskonnana kokku, mis kastis olev objekt võiks olla. Lõpuks töötavad meeskonnad välja üksikasjaliku joonise, mis näitab objekti, milles nad kokku leppisid.
7. Teatage, kui palju aega neil tegevuse lõpetamiseks kulub (soovitatav 1 tund).
8. Õigel ajal püsimiseks kasutage taimerit või on-line stopperit (loenduri funktsioon). (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Andke õpilastele regulaarselt ajakontrolli, et nad jääksid ülesandele. Kui nad on hädas, esitage küsimusi, mis viivad nad kiiremini lahenduseni.
9. Õpetage õpilasi tegema järgmist.
   • Iga meeskonna õpilane kasutab kordamööda pliiatsisondi abil kuju, et tuvastada kasti esemeid. Teil võidakse kas silmad kinni siduda või kasti sisse lõigata auk, et teie käsi ja pliiats saaksid sees olla, ilma et näeksite, mis karbis on.
   • Kasutage karbi põhja sisu või pindala uurimiseks ainult pliiatsi otsa.
   • Jälgige oma mõtetes tajutavate objektide kõrgust, nende kuju ja üldist suurust.
   • Järgmisena joonistage paberile see, mida "nägite" - võiksite kaaluda pealt- ja külgvaadet, et aidata kindlaks teha, mis karbis on.
   • Kui iga meeskonna õpilane on uurimise läbi teinud, tehke koostööd ja jagage oma jooniseid ja arvamusi karbis oleva kohta. Jõudke meeskonnana üksmeelele ja töötage välja lõplik joonis, mis sisaldab objekti hinnangulisi mõõtmisi.
10. Meeskonnad esitavad klassile teie ideid, jooniseid ja mõõtmisi ning kuulavad teiste meeskondade esitlusi. Nad peaksid võrdlema, kui lähedal oli nende meeskond tegeliku suuruse ja kuju määramisel.
11. Klassina arutage õpilaste mõtisklusküsimusi.
12. Lisateavet selle teema kohta leiate jaotisest „Kaevamine sügavamale“.

Valikuline laiendustegevus

Paluge õpilastel ühe käega peegeldada, mida nad kastis tunnevad, teise käega samal ajal paberile joonistades.

Õpilaste mõtisklus (insenerimärkmik)

1. Kui täpne oli teie meeskond objekti tuvastamisel kuju osas? Mida sa karbist leidsid?
2. Kui täpne oli teie meeskond kastis oleva objekti tegeliku suuruse määramisel?
3. Kui suure protsendi võrra oli teie suuruse hinnang karbis oleva objekti tegelikust suurusest erinev?
4. Kas arvate, et aeg, mis kulus sondiga kasti sisse vaatamiseks, mõjutas teie tulemuste täpsust?
5. Kas arvasite, et meeskonnatöö tegi selle projekti lihtsamaks või raskemaks? Miks?

Tundi saab teha vanemate õpilaste jaoks juba 1 tunni jooksul. Kuid selleks, et aidata õpilastel kiirustada ja tagada õpilaste edu (eriti nooremate õpilaste jaoks), jagage tund kaheks perioodiks, andes õpilastele rohkem aega ajurünnakuteks, ideede testimiseks ja nende kujunduse viimistlemiseks. Tehke testimine ja ülevaade järgmisel klassiperioodil.

Mis on nanotehnoloogia?

Kujutage ette, et saate jälgida punaste vereliblede liikumist veeni kaudu. Mis tunne oleks jälgida naatriumi ja kloori aatomeid, kui nad lähevad piisavalt lähedale, et tegelikult elektrone üle kanda ja soolakristalle moodustada, või jälgida molekulide vibratsiooni, kui temperatuur tõuseb veepannil? Viimastel aastakümnetel välja töötatud ja täiustatud tööriistade või ulatuste tõttu võime täheldada olukordi, nagu paljud selle lõigu alguses toodud näited. Seda võimet jälgida, mõõta ja isegi manipuleerida materjale molekulaarsel või aatomi skaalal nimetatakse nanotehnoloogiaks või nanoteaduseks. Kui meil on nano "midagi", on meil sellest miljardist osa. Teadlased ja insenerid rakendavad nano -eesliidet paljudele asjadele, sealhulgas meetrite pikkusele, sekunditele (aeg), liitritele (maht) ja grammidele (mass), et kujutada arusaadavalt väga väikest kogust. Kõige sagedamini rakendatakse pikkusskaalal nano ning me mõõdame ja räägime nanomeetritest (nm). Üksikute aatomite läbimõõt on väiksem kui 1 nm, 10 nm pikkuse joone loomiseks kulub järjest umbes 1 vesinikuaatomit. Teised aatomid on suuremad kui vesinik, kuid nende läbimõõt on siiski väiksem kui nanomeeter. Tüüpiline viirus on umbes 100 nm läbimõõduga ja bakter on umbes 1000 nm otsast sabani. Vahendid, mis on võimaldanud meil jälgida nanoskaala varem nähtamatut maailma, on aatomijõumikroskoop ja skaneeriv elektronmikroskoop.

Kui suur on väike?

Võib olla raske ette kujutada, kui väikesed asjad nanoskaalas on. Järgmine harjutus aitab teil visualiseerida, kui suur võib väike olla! Mõelge keeglipallile, piljardikuulile, tennisepallile, golfipallile, marmorile ja hernele. Mõelge nende üksuste suhtelisele suurusele.

Kulumistingimustes

Skaneeriv elektronmikroskoop on spetsiaalne elektronmikroskoob, mis loob proovipinna kujutised, skannides seda suure energiaga elektronkiirega rastriskaneeringus. Rasterskaneerimisel lõigatakse pilt (tavaliselt horisontaalsete) ribade jadaks, mida nimetatakse skannimisjoonteks. Elektronid suhtlevad valimi moodustavate aatomitega ja annavad signaale, mis annavad andmeid pinna kuju, koostise ja isegi selle kohta, kas see suudab elektrit juhtida. Paljusid skaneerivate elektronmikroskoobidega tehtud pilte saab vaadata aadressil www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Aatomjõu mikroskoobid

Pildistamine nanoskaalal

Et näha, kuidas materjalide pind nanoskaalas välja näeb, on insenerid välja töötanud hulga seadmeid ja süsteeme, et uurida objekti pinna käitumist. Paljusid pilte saate vaadata Dartmouthi elektronmikroskoobi rajatises aadressil www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Aatomjõu mikroskoobid

Aatomjõumikroskoop on eriline skaneeriva sondi mikroskoobi (SPM) tüüp, mis kogub teavet, kasutades sondi objekti pinna puudutamiseks või selle kohal liikumiseks. Eraldusvõime on väga kõrge, murdosa nanomeetrist. AFM leiutati 1982. aastal IBMis ja esimene kaubanduslikult saadav aatomjõumikroskoop võeti kasutusele 1989. aastal. AFM on endiselt üks olulisemaid vahendeid nanomõõtmelise mõõtmiseks ja kujutamiseks. See suudab üsna täpselt välja töötada proovi kolmemõõtmelise pildi või topograafia ning sellel on palju rakendusi. Kui kujutate ette, et sulgete silmad ja kasutate pliiatsiotsa, et välja selgitada, mis objekt karbis oli, võite ette kujutada, kuidas seda tüüpi mikroskoop töötab! Aatomjõumikroskoobi üks eelis on see, et see ei vaja erilist ümbrust ja töötab hästi keskmises keskkonnas või isegi vedelikus. See võimaldab uurida bioloogiat makromolekulide tasemel või isegi vaadata elusorganisme.

Interneti-ühendused

• Aatomjõu mikroskoopia
• Virtuaalne mikroskoop

Soovituslik kirjandus

• Skaneerimissondi mikroskoopia: laboratoorium näpunäidel (täiustatud tekstid füüsikas) (ISBN: 978-3642077371)
• Skaneerimissondi mikroskoopia (ISBN: 978-3662452394)

Kirjutustegevus

Kirjutage essee või lõik selle kohta, kuidas nanotehnoloogia edusammud on mõjutanud tervishoidu ja meditsiini.

Vastavusse viimine õppekava raamistikuga

Märge: Selle seeria tunniplaanid on joondatud ühe või mitme järgmise standardikomplektiga:

• S. Teadushariduse standardid (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Uue põlvkonna teaduse standardid (http://www.nextgenscience.org/)
• Rahvusvahelise Tehnoloogiahariduse Assotsiatsiooni tehnilise kirjaoskuse standardid (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Riiklik matemaatikaõpetajate nõukogu põhimõte ja koolimatemaatika standardid (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Matemaatika ühised riiklikud põhistandardid (http://www.corestandards.org/Math)
• Arvutiteaduse õpetajate ühing K-12 arvutiteaduse standardid (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Riiklikud teadushariduse standardid K-4 klass (vanuses 4–9)

SISU STANDARD A: Teadus kui uurimine

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Teadusliku uurimise läbiviimiseks vajalikud oskused
• Teadusliku uurimise mõistmine

SISUKORD B: Füüsika

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama arusaama

• Esemete ja materjalide omadused
• Objektide asend ja liikumine

SISU STANDARD E: teadus ja tehnoloogia

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Tehnoloogilise disaini võimed

SISU STANDARD F: Teadus isiklikus ja sotsiaalses perspektiivis

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Teadus ja tehnoloogia kohalikes väljakutsetes

SISU STANDARD G: Teaduse ajalugu ja olemus

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Teadus kui inimlik ettevõtmine

Riiklikud teadushariduse standardid 5. – 8. Klass (vanuses 10–14)

SISU STANDARD A: Teadus kui uurimine

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Teadusliku uurimise läbiviimiseks vajalikud oskused
• Arusaamine teadusliku uurimise kohta

SISUKORD B: Füüsika

Oma tegevuse tulemusena peaksid kõik õpilased arendama arusaama

• Mateeria omadused ja omaduste muutused

SISU STANDARD E: teadus ja tehnoloogia

5.-8. Klassi tegevuse tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Tehnoloogilise disaini võimed
• Arusaam teadusest ja tehnoloogiast

SISU STANDARD F: Teadus isiklikus ja sotsiaalses perspektiivis

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Teadus ja tehnoloogia ühiskonnas 

Riiklikud teadushariduse standardid 5. – 8. Klass (vanuses 10–14)

SISU STANDARD G: Teaduse ajalugu ja olemus

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Teadus kui inimlik ettevõtmine
• Teaduse olemus

Riiklikud teadushariduse standardid 9. – 12. Klass (vanuses 14–18)

SISU STANDARD A: Teadus kui uurimine

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Teadusliku uurimise läbiviimiseks vajalikud oskused
• Arusaamine teadusliku uurimise kohta

SISUKORD B: Füüsika

Oma tegevuse tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Aine struktuur ja omadused

SISU STANDARD E: teadus ja tehnoloogia

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arenema

• Tehnoloogilise disaini võimed
• Arusaam teadusest ja tehnoloogiast

SISU STANDARD F: Teadus isiklikus ja sotsiaalses perspektiivis

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Teadus ja tehnoloogia kohalikes, riiklikes ja globaalsetes väljakutsetes

SISU STANDARD G: Teaduse ajalugu ja olemus

Tegevuste tulemusena peaksid kõik õpilased arendama mõistmist

• Teadus kui inimlik ettevõtmine
• Teaduslike teadmiste olemus
• Ajaloolised perspektiivid

 Järgmise põlvkonna teadusstandardid 2. – 5. Klass (vanuses 7–11)

Üliõpilased, kes näitavad mõistmist, saavad:

Mateeria ja selle vastastikmõjud

• 5-PS1-1. Töötage välja mudel, mis kirjeldab, et aine koosneb liiga väikestest osakestest, et seda näha.
• 5-PS1-3. Tehke vaatlusi ja mõõtmisi, et tuvastada materjale nende omaduste alusel. 

Tehnoloogilise kirjaoskuse standardid - igas vanuses 

Tehnoloogia olemus

• 1. standard: õpilased arendavad arusaama tehnoloogia omadustest ja ulatusest.
• Standard 2: Õpilased arendavad arusaama tehnoloogia põhimõistetest.
• Standard 3: Õpilased arendavad arusaama tehnoloogiate suhetest ning seostest tehnoloogia ja teiste õppevaldkondade vahel. 

Tehnoloogia ja ühiskond

• Standard 4: Õpilased arendavad arusaama tehnoloogia kultuurilistest, sotsiaalsetest, majanduslikest ja poliitilistest mõjudest.
• Standard 6: Õpilased arendavad arusaama ühiskonna rollist tehnoloogia arendamisel ja kasutamisel.
• 7. standard: Õpilased arendavad arusaama tehnoloogia mõjust ajaloole.

Tehnoloogilise maailma võimed

Standard 13: Õpilased arendavad võimeid toodete ja süsteemide mõju hindamiseks.

Proovige oma kätt skaneeriva sondi mikroskoobina!

Uuringu etapp

Lugege õpetaja antud materjale. Kui teil on juurdepääs Internetile, vaadake õpetust ka sellel veebisaidil: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. See illustreerib skaneerimissondi mikroskoopide toimimist ja aitab teil mõista, kuidas selle toimingu abil sarnast ülesannet täita.

Proovi!

Iga teie meeskonna õpilane kasutab kordamööda pliiatsit, et määrata kasti eseme kuju või tuvastada. Teil võidakse kas silmad kinni siduda või kasti sisse lõigata auk, et teie käsi ja pliiats saaksid sees olla, ilma et näeksite, mis karbis on.

Kasutage karbi põhja sisu või pindala uurimiseks ainult pliiatsi otsa. Jälgige oma mõtetes tajutavate objektide kõrgust, nende kuju ja üldist suurust.

Järgmisena joonistage paberile see, mida "nägite" - võiksite kaaluda pealt- ja külgvaadet, et aidata kindlaks teha, mis karbis on.

Kui iga meeskonna õpilane on uurimise läbi viinud, tehke koostööd ja jagage oma jooniseid ja arvamusi karbis oleva kohta. Jõudke meeskonnana üksmeelele ja töötage välja lõplik joonis, mis sisaldab objekti hinnangulisi mõõtmisi

Esitlus- ja kajastamisetapp

Esitage klassile oma ideid, jooniseid ja mõõtmisi ning kuulake teiste meeskondade esitlusi. Vaadake, kui lähedal teie meeskond või teised meeskonnad tegeliku suuruse ja kuju määramisel olid. Seejärel täitke peegeldusleht.

Peegeldus

Täitke alljärgnevad mõtisklusküsimused:

1. Kui täpne oli teie meeskond objekti tuvastamisel kuju osas? Mida sa karbist leidsid?

2. Kui täpne oli teie meeskond kastis oleva objekti tegeliku suuruse määramisel?

3. Kui suure protsendi võrra oli teie suuruse hinnang karbis oleva objekti tegelikust suurusest erinev?

4. Kas arvate, et aeg, mis kulus sondiga kasti sisse vaatamiseks, mõjutas teie tulemuste täpsust?

5. Kas arvasite, et meeskonnatöö tegi selle projekti lihtsamaks või raskemaks? Miks?