Legyen pásztázó szonda mikroszkóp
Ez a lecke azt vizsgálja, hogyan mérik ezek a mikroszkópok az anyagok felületét nanoszinten. A tanulók csapatokban dolgoznak, hogy megismerjék a pásztázó szonda mikroszkópokat (SPM), majd ceruzával vizuálisan megtapasztalják az általuk nem látott tárgyak alakját. A ceruza tapintása alapján a tanulók az SPM funkcióját utánozzák. Azt rajzolják, amit az elméjük „látott”.
- Tudjon meg többet a nanotechnológiáról.
- Tudjon meg többet a szondamikroszkópok beolvasásáról.
- Tudja meg, hogyan segíthet a mérnöki munka a társadalom kihívásainak megoldásában.
Korosztály: 8-12
Építési anyagok (minden csapat számára)
A tantermekhez szükséges anyagok
- Doboz aljára rögzített elemmel (vonalzó, papírpohár, tégla, gyümölcsdarab)
- Kösse be a szemét vagy vágjon lyukat a dobozba, hogy a tanulók beleférjenek a kezükbe és a ceruzába, anélkül, hogy látnák, mi van a dobozban.
Csapatoknak szükséges anyagok
- Papír
- Toll
- Ceruza
- Internet hozzáférés, opcionális
Tervezés Challenge
Ön egy mérnökcsapat, amelynek feladata, hogy ceruzaszondával „érezzen” két különböző tárgyat egy dobozban (anélkül, hogy látná a tárgyakat). Ezután lerajzoljátok, amit „láttok”, és csapatként megállapodnak abban, hogy mi lehet a dobozban lévő tárgy. Ezután a csapatok kidolgoznak egy részletes rajzot, amely bemutatja a megegyezett tárgyat.
Kritériumai
- Ceruzát kell használni a tárgyak „tapintásához”.
- Nem szabad látnia a tárgyakat (akár a szemkötőt, akár a dobozba vágott lyukat, hogy elférjen a kéz és a ceruza)
megszorítások
- Csak a mellékelt anyagokat használja.
Szükséges idő: 45-XNUMX XNUMX perces ülés.
- Bontja az osztályt 2-4 fős csapatokra.
- Nyújtsa ki a Be a Scanning Probe Microscope munkalapot.
- Beszéljétek meg a Háttérfogalmak részben található témákat. Kérje meg a tanulókat, hogy gondolják át, hogyan mérik meg a mérnökök azoknak a dolgoknak a felületét, amelyek túl kicsik ahhoz, hogy látják. Ha van internet, ossza meg a virtuális mikroszkópot (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- Tekintse át a mérnöki tervezés folyamatát, a tervezési kihívást, a kritériumokat, a korlátozásokat és az anyagokat.
- Biztosítsa minden csapatnak az anyagaikat.
- Magyarázd el, hogy a tanulóknak ceruzát kell használniuk, hogy „érezzenek” két különböző tárgyat egy dobozban (bekötött szemmel). Ezután lerajzolják, amit „láttak”, és csapatként megállapodnak abban, hogy mi lehet a dobozban lévő tárgy. Végül a csapatok részletes rajzot készítenek, amelyen az egyeztetett tárgy látható.
- Adja meg, hogy mennyi idejük van a tevékenység elvégzésére (1 óra ajánlott).
- Használjon időzítőt vagy on-line stoppert (visszaszámláló funkció), hogy biztosan tartsa az időt. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Rendszeresen adjon a hallgatóknak „időellenőrzést”, hogy maradjanak a feladaton. Ha küzdenek, tegyen fel kérdéseket, amelyek gyorsabb megoldáshoz vezetnek.
- Utasítsa a tanulókat a következőkre:
- A csapat minden diákja felváltva ceruzaszondával meghatározza az alakzatot a dobozban lévő tárgyak azonosításához. Lehet, hogy be van kötve a szemed, vagy egy lyukat vágnak egy dobozba, hogy a kezed és a ceruza benne legyen anélkül, hogy látnád, mi van a dobozban.
- Csak a ceruza hegyével vizsgálja meg a doboz aljának tartalmát vagy felületét.
- Gondolatban kövesse nyomon az érzékelt tárgyak magasságát, alakjukat és teljes méretét.
- Ezután rajzolja le, amit „látott” egy darab papírra – érdemes lehet felül- és oldalnézetben is megnézni, hogy mi van a dobozban.
- Amikor a csapat minden diákja elvégezte a vizsgálatot, dolgozzon együtt, és ossza meg rajzait és véleményét a doboz tartalmáról. Jöjjön konszenzusra csapatként, és készítsen egy végső rajzot, amely tartalmazza az objektum becsült méréseit.
- A csapatok bemutatják ötleteiket, rajzaikat, méréseiket az osztálynak, és meghallgatják a többi csapat előadását. Össze kell hasonlítaniuk, hogy csapatuk milyen közel állt a tényleges méret és forma meghatározásához.
- Osztályként beszélje meg a diákok reflexiós kérdéseit.
- A témával kapcsolatos további információkért lásd a „Mélyebb ásás” részt.
Opcionális kiterjesztési tevékenység
Kérd meg a tanulókat, hogy az egyik kezükkel tükrözzék, mit „érnek” a dobozban, a másik kezükkel pedig egyszerre rajzoljanak papírra.
Student Reflection (mérnöki jegyzetfüzet)
- Mennyire volt pontos a csapata az objektum azonosításában az alak tekintetében? Mit találtál a dobozban?
- Mennyire volt pontos a csapata a dobozban lévő tárgy tényleges méretének meghatározásában?
- A becsült mérete hány százalékkal tért el a dobozban lévő tárgy tényleges méretétől?
- Gondolja, hogy az az idő, ameddig a szondával „látta” a doboz belsejét, befolyásolta az eredmények pontosságát?
- Gondolta, hogy a csapatmunka megkönnyíti vagy megnehezíti ezt a projektet? Miért?
Idő módosítása
Az óra akár 1 óra alatt is elvégezhető az idősebb tanulók számára. Annak érdekében azonban, hogy segítse a diákokat abban, hogy ne kapkodják el magukat, és biztosítsák a diákok sikerességét (különösen a fiatalabb hallgatók számára), ossza fel az órát két időszakra, így több idő jut a hallgatóknak az ötletelésre, az ötletek tesztelésére és a tervezésük véglegesítésére. Végezze el a tesztelést és a beszámolót a következő osztályidőszakban.
Mi a nanotechnológia?
Képzelje el, hogy megfigyelheti egy vörösvértest mozgását, amint az áthalad a vénán. Milyen lenne megfigyelni a nátrium- és klóratomokat, amint azok elég közel kerülnek ahhoz, hogy ténylegesen elektronokat adjanak át és sókristályt alkossanak, vagy megfigyeljük a molekulák rezgését, ahogy a hőmérséklet emelkedik egy serpenyőben? Az elmúlt néhány évtizedben kifejlesztett és továbbfejlesztett eszközök vagy „hatókör” miatt olyan helyzeteket figyelhetünk meg, mint a jelen bekezdés elején található számos példa. Az anyagok megfigyelésének, mérésének és akár manipulálásának képességét molekuláris vagy atomi léptékben nanotechnológiának vagy nanotudománynak nevezik. Ha van egy nano „valamink”, akkor ennek a valaminek az egymilliárd része. A tudósok és mérnökök sok „valamire” alkalmazzák a nano előtagot, beleértve a méteres hosszúságot, másodperceket (idő), litereket (térfogat) és grammokat (tömeg), hogy az érthető módon nagyon kis mennyiséget ábrázolják. Leggyakrabban a nano-t alkalmazzák a hosszskálára, és nanométereket (nm) mérünk és beszélünk. Az egyes atomok átmérője kisebb, mint 1 nm, és körülbelül 10 hidrogénatomra van szükség egymás után egy 1 nm hosszú vonal létrehozásához. Más atomok nagyobbak, mint a hidrogén, de átmérőjük még mindig kisebb, mint egy nanométer. Egy tipikus vírus körülbelül 100 nm átmérőjű, egy baktérium pedig körülbelül 1000 nm fejtől farokig. Azok az eszközök, amelyek lehetővé tették számunkra, hogy megfigyeljük a nanoskála korábban láthatatlan világát, az Atomic Force Microscope és a Scanning Electron Microscope.
Mekkora a kicsi?
Nehéz elképzelni, hogy milyen apró dolgok vannak a nanoméretben. A következő gyakorlat segít elképzelni, hogy mekkora lehet a kicsi! Tekintsünk egy bowlinggolyót, biliárdgolyót, teniszlabdát, golflabdát, márványt és borsót. Gondoljon ezeknek az elemeknek a relatív méretére.
Pásztázó elektronmikroszkóp
A pásztázó elektronmikroszkóp egy speciális típusú elektronmikroszkóp, amely egy minta felületének képeit hozza létre úgy, hogy nagy energiájú elektronnyalábbal raszterpásztázási mintázatban pásztázza. A raszteres beolvasás során a képet (általában vízszintes) sávokba vágják, amelyeket „szkennelési vonalaknak” neveznek. Az elektronok kölcsönhatásba lépnek a mintát alkotó atomokkal, és olyan jeleket hoznak létre, amelyek adatokat szolgáltatnak a felület alakjáról, összetételéről és arról, hogy képes-e villamos energiát vezetni. Sok pásztázó elektronmikroszkóppal készített kép megtekinthető a www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Atomerő-mikroszkópok
Képalkotás nanoskálán
Annak érdekében, hogy „lássák”, hogyan néz ki az anyagok felülete nano léptékben, a mérnökök egy sor eszközt és rendszert fejlesztettek ki annak feltárására, hogyan viselkedik egy tárgy felülete. Sok képet megtekinthet a Dartmouth Electron Microscope Facility webhelyen, a www.dartmouth.edu/~emlab/gallery oldalon.
Atomerő-mikroszkópok
Az Atomic Force Microscope egy speciális típusú pásztázó szonda mikroszkóp (SPM), amely szondával gyűjt információkat, hogy megérintse vagy mozgassa a tárgy felületét. A felbontás nagyon magas, a nanométer töredéke. Az AFM-et 1982-ben találták fel az IBM-nél, és 1989-ben mutatták be az első kereskedelmi forgalomban kapható atomerőmikroszkópot. Az AFM továbbra is az egyik legfontosabb eszköz a nanoméretű mérések és képek készítéséhez. Meglehetősen pontosan képes egy minta háromdimenziós képet vagy topográfiáját létrehozni, és számos alkalmazási területe van. Ha el tudja képzelni, hogy becsukja a szemét, és a ceruza hegyével meg tudja állapítani, milyen tárgy van a dobozban, akkor el tudja képzelni, hogyan működik ez a fajta mikroszkóp! Az Atomic Force Mikroszkóp egyik előnye, hogy nem igényel különleges környezetet, és jól működik átlagos környezetben, de akár folyadékban is. Ez lehetővé teszi a biológia makromolekula szintű feltárását, vagy akár az élő szervezetek áttekintését.
Internetes kapcsolatok
Ajánlott olvasmányok
- Pásztázó szonda mikroszkópia: Laboratórium a hegyen (fejlett fizika szövegek) (ISBN: 978-3642077371)
- Pásztázó szonda mikroszkópia (ISBN: 978-3662452394)
Írási tevékenység
Írjon egy esszét vagy egy bekezdést arról, hogy a nanotechnológia fejlődése milyen hatással volt az egészségügyre és az orvostudományra.
Összehangolás a tanterv-keretekkel
Jegyzet: A sorozat óratervei a következő szabványok egy vagy többéhez igazodnak:
- S. Természettudományi oktatási szabványok (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Új generációs tudományos szabványok (http://www.nextgenscience.org/)
- A Nemzetközi Technológiai Oktatási Szövetség technológiai műveltségi normái (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. A Matematikatanárok Országos Tanácsa az iskolai matematika alapelvei és szabványai (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. A matematika általános alapszintű szabványai (http://www.corestandards.org/Math)
- Számítástechnika Tanárok Szövetsége K-12 Számítástudományi Szabványok (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Országos természettudományos oktatási szabványok K-4. Osztály (4–9 éves korosztály)
A TARTALOM STANDARD: A tudomány mint vizsgálat
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell
- A tudományos vizsgálatok elvégzéséhez szükséges képességek
- Megértés a tudományos vizsgálatokról
B TARTALOM STANDARD: Fizikai tudomány
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak meg kell alakítania a megértést
- Tárgyak és anyagok tulajdonságai
- A tárgyak helyzete és mozgása
E. TARTALOMJEGYZÉK: Tudomány és technológia
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell
- A technológiai tervezés képességei
F TARTALOM-SZABVÁNY: Tudomány személyes és társadalmi szempontból
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést
- A tudomány és a technológia a helyi kihívásokban
G TARTALOM STANDARD: A tudomány története és természete
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést
- A tudomány mint emberi törekvés
Országos természettudományos oktatási szabványok 5-8. Évfolyam (10-14 éves korig)
A TARTALOM STANDARD: A tudomány mint vizsgálat
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell
- A tudományos vizsgálatok elvégzéséhez szükséges képességek
- Megértések a tudományos vizsgálatokról
B TARTALOM STANDARD: Fizikai tudomány
Tevékenységük eredményeként minden hallgatónak meg kell alakítania a megértést
- Az anyag tulajdonságai és tulajdonságainak változásai
E. TARTALOMJEGYZÉK: Tudomány és technológia
Az 5-8. Évfolyamon végzett tevékenységek eredményeként minden tanulónak fejlődnie kell
- A technológiai tervezés képességei
- Megértés a tudományról és a technológiáról
F TARTALOM-SZABVÁNY: Tudomány személyes és társadalmi szempontból
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést
- Tudomány és technológia a társadalomban
Országos természettudományos oktatási szabványok 5-8. Évfolyam (10-14 éves korig)
G TARTALOM STANDARD: A tudomány története és természete
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést
- A tudomány mint emberi törekvés
- A tudomány természete
Országos természettudományos oktatási szabványok 9-12. Évfolyam (14-18 éves korig)
A TARTALOM STANDARD: A tudomány mint vizsgálat
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell
- A tudományos vizsgálatok elvégzéséhez szükséges képességek
- Megértések a tudományos vizsgálatokról
B TARTALOM STANDARD: Fizikai tudomány
Tevékenységük eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést
- Az anyag szerkezete és tulajdonságai
E. TARTALOMJEGYZÉK: Tudomány és technológia
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlődnie kell
- A technológiai tervezés képességei
- Megértés a tudományról és a technológiáról
F TARTALOM-SZABVÁNY: Tudomány személyes és társadalmi szempontból
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést
- A tudomány és a technológia a helyi, nemzeti és globális kihívásokban
G TARTALOM STANDARD: A tudomány története és természete
A tevékenységek eredményeként minden hallgatónak fejlesztenie kell a megértést
- A tudomány mint emberi törekvés
- A tudományos ismeretek jellege
- Történelmi perspektívák
A következő generációs tudományos normák 2-5. Osztály (7-11. Évfolyam)
A megértést tanúsító hallgatók:
Anyag és kölcsönhatásai
- 5-PS1-1. Készítsen egy modellt annak leírására, hogy az anyag túl kicsi részecskékből áll ahhoz, hogy láthassák őket.
- 5-PS1-3. Végezzen megfigyeléseket és méréseket az anyagok azonosításához tulajdonságaik alapján.
A technológiai műveltség szabványai - minden korosztály számára
A technika természete
- 1. szabvány: A hallgatók megismerik a technológia jellemzőit és alkalmazási körét.
- 2. szabvány: A hallgatók megismerik a technológia alapfogalmait.
- 3. standard: A hallgatók megértik a technológiák közötti kapcsolatokat, valamint a technológia és más tanulmányi területek közötti kapcsolatokat.
Technológia és társadalom
- 4. szabvány: A hallgatók megismerik a technológia kulturális, társadalmi, gazdasági és politikai hatásait.
- 6. standard: A hallgatók megértik a társadalom szerepét a technológia fejlesztésében és alkalmazásában.
- 7. szabvány: A hallgatók megismerik a technológia történelemre gyakorolt hatását.
Képességek a technológiai világ számára
13. szabvány: A hallgatók fejleszteni fogják képességeiket a termékek és rendszerek hatásának felmérésére.
Próbáld ki magad pásztázó szonda mikroszkópként!
Kutatási fázis
Olvassa el a tanártól kapott anyagokat. Ha rendelkezik internet-hozzáféréssel, tekintse meg az oktatóanyagot ezen a webhelyen is: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Bemutatja a pásztázó szonda mikroszkópok működését, és segít megérteni, hogyan hajt végre hasonló feladatot ezen a tevékenységen keresztül.
Próbáld ki!
A csapat minden diákja felváltva ceruzaszondával határozza meg a dobozban lévő tárgy alakját vagy azonosítását. Lehet, hogy be van kötve a szemed, vagy egy lyukat vágnak egy dobozba, hogy a kezed és a ceruza benne legyen anélkül, hogy látnád, mi van a dobozban.
Csak a ceruza hegyével vizsgálja meg a doboz aljának tartalmát vagy felületét. Gondolatban kövesse nyomon az érzékelt tárgyak magasságát, alakjukat és teljes méretét.
Ezután rajzolja le, amit „látott” egy darab papírra – érdemes lehet felül- és oldalnézetben is megnézni, hogy mi van a dobozban.
Amikor a csapat minden diákja elvégezte a vizsgálatot, dolgozzon együtt, és ossza meg rajzait és véleményét a doboz tartalmáról. Jöjjön konszenzusra csapatként, és készítsen egy végső rajzot, amely tartalmazza az objektum becsült méréseit
Bemutató és reflexiós fázis
Mutassa be ötleteit, rajzait, méréseit az osztálynak, hallgassa meg a többi csapat előadását. Nézze meg, milyen közel állt a csapata vagy a többi csapat a tényleges méret és forma meghatározásakor. Ezután töltse ki az elmélkedési lapot.
Visszaverődés
Töltse ki az alábbi gondolkodási kérdéseket:
- Mennyire volt pontos a csapata az objektum azonosításában az alak tekintetében? Mit találtál a dobozban?
- Mennyire volt pontos a csapata a dobozban lévő tárgy tényleges méretének meghatározásában?
- A becsült mérete hány százalékkal tért el a dobozban lévő tárgy tényleges méretétől?
- Gondolja, hogy az az idő, ameddig a szondával „látta” a doboz belsejét, befolyásolta az eredmények pontosságát?
- Gondolta, hogy a csapatmunka megkönnyíti vagy megnehezíti ezt a projektet? Miért?
Óraterv fordítás