Vertu skönnunarsmásjá
Þessi lexía kannar hvernig þessar smásjár mæla yfirborð efna á nanóstigi. Nemendur vinna í teymum til að læra um skannasmásjár (SPM) og nota síðan blýant til að finna sjónrænt lögun hluta sem þeir sjá ekki. Út frá snertiskyninu í gegnum blýantinn líkja nemendur eftir virkni SPM. Þeir teikna það sem hugur þeirra „sá“.
- Lærðu um nanótækni.
- Lærðu um skönnun á smásjáum.
- Lærðu hvernig verkfræði getur hjálpað til við að leysa áskoranir samfélagsins.
Aldursstig: 8-12
Byggja efni (fyrir hvert lið)
Nauðsynlegt efni fyrir kennslustofu
- Askja með hlut festum á botninn (reglustiku, pappírsbolli, múrsteinn, ávaxtastykki)
- Bundið fyrir augunum eða skerið gat í kassann svo nemendur geti komið hendinni og blýanti inn í, án þess að sjá hvað er í kassanum.
Nauðsynlegt efni fyrir lið
- Pappír
- Pen
- Blýantur
- Aðgangur að internetinu, valfrjálst
Hönnun áskorun
Þið eruð teymi verkfræðinga sem fá þá áskorun að nota blýantsnema til að „finna fyrir“ tveimur mismunandi hlutum inni í kassa (án þess að sjá hlutina). Næst muntu teikna það sem þú „sást“ og sem lið komdu þér saman um hver hluturinn í kassanum gæti verið. Síðan þróa teymi ítarlega teikningu sem sýnir hlutinn sem þú samþykktir.
Viðmiðanir
- Verður að nota blýant til að „finna“ fyrir hlutunum.
- Má ekki sjá hlutina (annaðhvort bindi fyrir augu eða gat skorið í kassann til að passa við hönd og blýant)
Þvinganir
- Notaðu aðeins efnið sem fylgir.
Tími sem þarf: Ein til tvær 45 mínútna lotur.
- Skiptu bekknum í lið 2-4.
- Gefðu út vinnublaðið Be a Scanning Probe Microscope.
- Ræddu efnin í kaflanum um bakgrunnshugtök. Biðjið nemendur að íhuga hvernig verkfræðingar mæla yfirborð hluta sem eru of smáir til að sjá. Ef internetið er í boði skaltu deila The Virtual Microscope (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- Farið yfir verkfræðihönnunarferli, hönnunaráskorun, viðmið, takmarkanir og efni.
- Gefðu hverju liði efni sitt.
- Útskýrðu að nemendur verða að nota blýant til að „finna fyrir“ tveimur mismunandi hlutum inni í kassa (blindað fyrir augun). Næst munu þeir teikna það sem þeir „sá“ og sem lið koma sér saman um hver hluturinn í kassanum gæti verið. Að lokum þróa teymi ítarlega teikningu sem sýnir hlutinn sem þau komu sér saman um.
- Tilkynntu þann tíma sem þeir hafa til að klára verkefnið (mælt er með 1 klukkustund).
- Notaðu tímastillingu eða skeiðklukku á netinu (niðurtalningaraðgerð) til að tryggja að þú haldir þér á réttum tíma. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Gefðu nemendum reglulegar „tímaprófanir“ svo þeir haldi áfram að vinna. Ef þeir eru í erfiðleikum skaltu spyrja spurninga sem leiða þá til lausnar hraðar.
- Leiðbeindu nemendum að gera eftirfarandi:
- Hver nemandi í teyminu skiptist á að nota blýantsnema til að ákvarða lögunina til að bera kennsl á hluti í kassa. Þú getur annað hvort verið með bundið fyrir augun eða látið skera gat í kassa svo að höndin þín og blýanturinn geti verið inni án þess að þú sjáir hvað er í kassanum.
- Notaðu bara oddinn á blýantinum til að skoða innihald eða yfirborðsflatarmál botn kassans.
- Í huga þínum skaltu fylgjast með hæð hlutanna sem þú skynjar, lögun þeirra og heildarstærð.
- Næst skaltu teikna það sem þú "sást" á blað - þú gætir viljað íhuga að ofan og frá hlið til að hjálpa þér að ákvarða hvað er í kassanum.
- Þegar hver nemandi í teyminu hefur gert rannsóknina skaltu vinna saman og deila teikningum þínum og skoðunum á því sem er í kassanum. Komdu með samstöðu sem lið og þróaðu lokateikningu sem inniheldur áætlaðar mælingar á hlutnum.
- Teymi kynna hugmyndir þínar, teikningar og mælingar fyrir bekknum og hlusta á kynningar hinna teymanna. Þeir ættu að bera saman hversu náið lið þeirra var við að ákvarða raunverulega stærð og lögun.
- Ræddu spurningar nemenda um hugleiðingar sem námskeið.
- Fyrir meira efni um efnið, sjá hlutann „Grafa dýpra“.
Valfrjáls viðbótarvirkni
Láttu nemendur spegla það sem þeim „finnst“ í kassanum með annarri hendi með því að teikna samtímis á pappír með hinni hendinni.
Hugleiðing nemenda (verkfræðirit)
- Hversu nákvæm með tilliti til lögunarinnar var liðið þitt við að bera kennsl á hlutinn? Hvað fannstu í kassanum?
- Hversu nákvæmt var liðið þitt við að ákvarða raunverulega stærð hlutarins í kassanum?
- Hversu hátt hlutfall var stærðarmatið þitt frá raunverulegri stærð hlutarins í kassanum?
- Heldurðu að sá tími sem þú tók þér að „sjá“ inni í kassanum með könnuninni hafi haft áhrif á hversu nákvæmar niðurstöður þínar voru?
- Haldiði að það að vinna sem teymi gerði þetta verkefni auðveldara eða erfiðara? Af hverju?
Tímabreyting
Kennslustundina er hægt að gera í allt að 1 kennslustund fyrir eldri nemendur. Hins vegar, til að hjálpa nemendum að finna fyrir áhlaupi og til að tryggja velgengni nemenda (sérstaklega fyrir yngri nemendur), skaltu skipta kennslustundinni í tvö tímabil og gefa nemendum meiri tíma til að hugleiða, prófa hugmyndir og ganga frá hönnun þeirra. Framkvæmdu prófanirnar og debriefið á næsta tíma.
Hvað er örtækni?
Ímyndaðu þér að geta fylgst með hreyfingu rauðra blóðkorna þegar þau fara í gegnum æð þína. Hvernig væri að fylgjast með natríum- og klóratómunum þegar þau komast nógu nálægt til að flytja rafeindir og mynda saltkristall eða fylgjast með titringi sameinda þegar hitastigið hækkar í vatnspönnu? Vegna verkfæra eða „umfangs“ sem hafa verið þróuð og endurbætt á síðustu áratugum getum við fylgst með aðstæðum eins og mörg dæmin í upphafi þessarar málsgreinar. Þessi hæfileiki til að fylgjast með, mæla og jafnvel meðhöndla efni á sameinda- eða lotumælikvarða er kölluð nanótækni eða nanóvísindi. Ef við erum með nanó „eitthvað“ höfum við einn milljarð af því. Vísindamenn og verkfræðingar nota nanóforskeytið á mörg „eitthvað“, þar á meðal metra lengd), sekúndur (tími), lítra (rúmmál) og grömm (massi) til að tákna það sem er skiljanlega mjög lítið magn. Oftast er nanó borið á lengdarkvarðann og við mælum og tölum um nanómetra (nm). Einstök atóm eru minni en 1 nm í þvermál, þar sem það tekur um 10 vetnisatóm í röð til að búa til línu sem er 1 nm að lengd. Önnur atóm eru stærri en vetni en hafa samt þvermál minna en nanómetra. Dæmigerð veira er um 100 nm í þvermál og baktería er um 1000 nm frá toppi til hala. Verkfærin sem hafa gert okkur kleift að fylgjast með áður ósýnilegum heimi nanóskalans eru Atomic Force Microscope og Scanning Rafeindasmásjáin.
Hversu stór er lítill?
Það getur verið erfitt að sjá fyrir sér hversu litlir hlutir eru á nanóvoginni. Eftirfarandi æfing getur hjálpað þér að sjá fyrir þér hversu stór lítill getur verið! Hugleiddu keilukúlu, billjardkúlu, tennisbolta, golfkúlu, marmara og ertu. Hugsaðu um hlutfallslega stærð þessara atriða.
Rafeindasmásjá
Rafeindasmásjáin er sérstök tegund af rafeindasmásjá sem býr til myndir af sýnishornum með því að skanna það með háorku geisla rafeinda í raster skannamynstri. Í raster skönnun er mynd skorin upp í röð af (venjulega láréttum) ræmum sem kallast „skanna línur“. Rafeindirnar hafa samskipti við atómin sem mynda sýnið og framleiða merki sem veita gögn um lögun yfirborðsins, samsetningu og jafnvel hvort það geti leitt rafmagn. Hægt er að skoða margar myndir sem teknar eru með skönnun rafeindasmásjáa á www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Atomic Force smásjár
Myndataka á Nano Scale
Til þess að „sjá“ hvernig yfirborð efna lítur út á nanókvarða hafa verkfræðingar þróað úrval tækja og kerfa til að kanna hvernig yfirborð hlutar hegðar sér. Þú getur skoðað fullt af myndum í Dartmouth rafeindasmásjáraðstöðunni á www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Atomic Force smásjár
Atomic Force smásjá er sérstök tegund af skannarannsóknarsmásjá (SPM), sem safnar upplýsingum með því að nota rannsaka til að snerta eða færa yfir yfirborð myndefnis. Upplausnin er mjög há, brot úr nanómetra. AFM var fundið upp árið 1982 hjá IBM og fyrsta atómaflsmásjáin sem er fáanleg í verslun var kynnt árið 1989. AFM er enn eitt mikilvægasta tækið til að mæla og mynda allt á nanóskala. Það getur þróað þrívíddarmynd eða landslag sýnis nákvæmlega nákvæmlega og hefur mörg forrit. Ef þú getur ímyndað þér að loka augunum og nota blýantsoddinn til að komast að því hvaða hlutur var í kassanum, geturðu ímyndað þér hvernig þessi tegund af smásjá virkar! Einn kostur við Atomic Force smásjá er að hún krefst ekki sérstakrar umhverfis og virkar vel í meðalumhverfi, eða jafnvel í vökva. Þetta gerir það mögulegt að kanna líffræði á stórsameindastigi, eða jafnvel endurskoða lifandi lífverur.
Internet tengingar
Mælt Reading
- Skannarannsóknarsmásjá: The Lab on a Tip (Advanced Texts in Physics) (ISBN: 978-3642077371)
- Skannarannsóknarsmásjá (ISBN: 978-3662452394)
Ritstörf
Skrifaðu ritgerð eða málsgrein um hvernig framfarir í gegnum nanótækni hafa haft áhrif á sviði heilsugæslu og læknisfræði.
Aðlögun að námskrárramma
Athugaðu: Kennsluáætlanir í þessari röð eru samstilltar við eitt eða fleiri af eftirfarandi stöðlum:
- S. Vísindamenntunarviðmið (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Vísindastaðlar næstu kynslóðar (http://www.nextgenscience.org/)
- Staðlar alþjóðatæknifræðingafélagsins um tæknilæsi (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Meginreglur og staðlar fyrir stærðfræði skólaráðs kennara í stærðfræði (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. Common Core State staðlar fyrir stærðfræði (http://www.corestandards.org/Math)
- Félag tölvunarfræðikennara K-12 staðlar tölvunarfræði (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
National Vísindamenntunarstaðlar Bekkur K-4 (4-9 ára)
INNIHALDSSTANDARD A: Vísindi sem fyrirspurn
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þroskast
- Hæfileikar nauðsynlegir til að gera vísindalega rannsókn
- Skilningur á vísindalegri rannsókn
INNIHALDSSTANDARD B: Eðlisfræði
Sem afleiðing af verkefnunum ættu allir nemendur að þroska skilning á
- Eiginleikar hlutar og efna
- Staða og hreyfing hluta
INNIHALDSSTANDAL E: Vísindi og tækni
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þroskast
- Hæfileikar tæknihönnunar
INNIHALDSSTANDARD F: Vísindi í persónulegu og félagslegu sjónarhorni
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þróa skilning á
- Vísindi og tækni í staðbundnum áskorunum
INNIHALDSSTANDARD G: Saga og eðli vísinda
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þróa skilning á
- Vísindi sem mannleg viðleitni
National Vísindamenntunarstaðlar 5. - 8. bekkur (10-14 ára)
INNIHALDSSTANDARD A: Vísindi sem fyrirspurn
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þroskast
- Hæfileikar nauðsynlegir til að gera vísindalega rannsókn
- Skilningur um vísindarannsóknir
INNIHALDSSTANDARD B: Eðlisfræði
Sem afleiðing af verkefnum sínum ættu allir nemendur að þroska skilning á
- Eiginleikar og breytingar á eignum í efni
INNIHALDSSTANDAL E: Vísindi og tækni
Sem afleiðing af athöfnum í 5. - 8. bekk ættu allir nemendur að þroskast
- Hæfileikar tæknihönnunar
- Skilningur um vísindi og tækni
INNIHALDSSTANDARD F: Vísindi í persónulegu og félagslegu sjónarhorni
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þróa skilning á
- Vísindi og tækni í samfélaginu
National Vísindamenntunarstaðlar 5. - 8. bekkur (10-14 ára)
INNIHALDSSTANDARD G: Saga og eðli vísinda
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þróa skilning á
- Vísindi sem mannleg viðleitni
- Eðli vísinda
National Vísindamenntunarstaðlar 9. - 12. bekkur (14-18 ára)
INNIHALDSSTANDARD A: Vísindi sem fyrirspurn
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þroskast
- Hæfileikar nauðsynlegir til að gera vísindalega rannsókn
- Skilningur um vísindarannsóknir
INNIHALDSSTANDARD B: Eðlisfræði
Sem afleiðing af verkefnum sínum ættu allir nemendur að þroska skilning á
- Uppbygging og eiginleikar efnis
INNIHALDSSTANDAL E: Vísindi og tækni
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þroskast
- Hæfileikar tæknihönnunar
- Skilningur um vísindi og tækni
INNIHALDSSTANDARD F: Vísindi í persónulegu og félagslegu sjónarhorni
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þróa skilning á
- Vísindi og tækni í staðbundnum, innlendum og alþjóðlegum áskorunum
INNIHALDSSTANDARD G: Saga og eðli vísinda
Sem afleiðing af verkefnum ættu allir nemendur að þróa skilning á
- Vísindi sem mannleg viðleitni
- Eðli vísindalegrar þekkingar
- Söguleg sjónarmið
Vísindastaðlar næstu kynslóðar 2.-5. Bekkur (7-11 ára)
Nemendur sem sýna skilning geta:
Mál og samskipti þess
- 5-PS1-1. Þróaðu líkan til að lýsa því að efni sé úr ögnum sem er of smátt til að sjást.
- 5-PS1-3. Gerðu athuganir og mælingar til að bera kennsl á efni út frá eiginleikum þeirra.
Staðlar fyrir tæknilæsi - allar aldir
Eðli tækninnar
- Staðall 1: Nemendur þróa skilning á eiginleikum og umfangi tækninnar.
- Staðall 2: Nemendur þróa skilning á kjarnahugtökum tækninnar.
- Staðall 3: Nemendur þróa skilning á sambandi tækni og tengslum tækni og annarra fræðasviða.
Tækni og samfélag
- Staðall 4: Nemendur þróa skilning á menningarlegum, félagslegum, efnahagslegum og pólitískum áhrifum tækninnar.
- Staðall 6: Nemendur þróa skilning á hlutverki samfélagsins í þróun og notkun tækni.
- Staðall 7: Nemendur þróa skilning á áhrifum tækni á sögu.
Hæfileikar fyrir tækniheim
Staðall 13: Nemendur þróa hæfileika til að meta áhrif vara og kerfa.
Reyndu fyrir þér að vera skannarannsóknarsmásjá!
Rannsóknarstig
Lestu efnið sem kennarinn þinn lætur þér í té. Ef þú hefur aðgang að internetinu skaltu líka skoða kennsluna á þessari vefsíðu: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Það mun sýna hvernig skannasmásjárnar virka og hjálpa þér að skilja hvernig þú munt framkvæma svipað verkefni í gegnum þessa starfsemi.
Prufaðu það!
Hver nemandi í teyminu þínu mun skiptast á að nota blýantsnema til að ákvarða lögun eða auðkenni hlutar í kassa. Þú getur annað hvort verið með bundið fyrir augun eða látið skera gat í kassa svo að höndin þín og blýanturinn geti verið inni án þess að þú sjáir hvað er í kassanum.
Notaðu bara oddinn á blýantinum til að skoða innihald eða yfirborðsflatarmál botn kassans. Í huga þínum skaltu fylgjast með hæð hlutanna sem þú skynjar, lögun þeirra og heildarstærð.
Næst skaltu teikna það sem þú "sást" á blað - þú gætir viljað íhuga að ofan og frá hlið til að hjálpa þér að ákvarða hvað er í kassanum.
Þegar hver nemandi í teyminu hefur gert rannsóknina skaltu vinna saman og deila teikningum þínum og skoðunum á því sem er í kassanum. Komdu með samstöðu sem lið og þróaðu lokateikningu sem inniheldur áætlaðar mælingar á hlutnum
Kynningar- og hugleiðingaáfangi
Kynntu hugmyndir þínar, teikningar og mælingar fyrir bekknum og hlustaðu á kynningar hinna teymanna. Sjáðu hversu náin liðið þitt, eða hin liðin voru, við að ákvarða raunverulega stærð og lögun. Ljúktu síðan við endurskinsblaðið.
Hugleiðingar
Ljúktu við speglunarspurningarnar hér að neðan:
- Hversu nákvæm með tilliti til lögunarinnar var liðið þitt við að bera kennsl á hlutinn? Hvað fannstu í kassanum?
- Hversu nákvæmt var liðið þitt við að ákvarða raunverulega stærð hlutarins í kassanum?
- Hversu hátt hlutfall var stærðarmatið þitt frá raunverulegri stærð hlutarins í kassanum?
- Heldurðu að sá tími sem þú tók þér að „sjá“ inni í kassanum með könnuninni hafi haft áhrif á hversu nákvæmar niðurstöður þínar voru?
- Haldiði að það að vinna sem teymi gerði þetta verkefni auðveldara eða erfiðara? Af hverju?
Lestraráætlun Þýðing