Esiet skenēšanas zondes mikroskops

Materiālu veidošana (katrai komandai)

Nepieciešamie materiāli klasē

• Kaste ar apakšā piestiprinātu priekšmetu (lineāls, papīra glāze, ķieģelis, augļa gabals)
• Aizsieniet acis vai izgrieziet kastē caurumu, lai skolēni varētu ievietot tajā roku un zīmuli, neredzot, kas ir kastē. 

Nepieciešamie materiāli komandām

• Papīrs
• Pildspalva
• Zīmulis
• Piekļuve internetam, pēc izvēles

Dizains izaicinājums

Jūs esat inženieru komanda, kurai ir izaicinājums izmantot zīmuļa zondi, lai “sajustu” divus dažādus objektus kastē (neredzot objektus). Pēc tam jūs uzzīmēsit to, ko jūs "redzējāt", un kā komanda vienojaties par to, kas varētu būt kastē esošais objekts. Pēc tam komandas izstrādā detalizētu zīmējumu, kurā parādīts objekts, par kuru vienojāties.

Kritēriji

• Jāizmanto zīmulis, lai “sajustu” priekšmetus.
• Nedrīkst redzēt priekšmetus (vai nu aizsietām acīm, vai kastē izgrieztu caurumu, lai ietilptu roka un zīmulis)

Ierobežojumi

• Izmantojiet tikai komplektācijā iekļautos materiālus.

Nepieciešamais laiks: Viena līdz divas 45 minūšu sesijas.

1. Sadaliet klasi komandās pa 2-4.
2. Izsniedziet darblapu Be a Scanning Probe Microscope.
3. Apspriediet tēmas sadaļā Fona jēdzieni. Lūdziet studentus padomāt, kā inženieri mēra to lietu virsmu, kuras ir pārāk mazas, lai tās redzētu. Ja ir pieejams internets, kopīgojiet virtuālo mikroskopu (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Pārskatiet projektēšanas procesu, projektēšanas izaicinājumu, kritērijus, ierobežojumus un materiālus.
5. Nodrošiniet katrai komandai savus materiālus.
6. Paskaidrojiet, ka skolēniem ir jāizmanto zīmulis, lai “sajustu” divus dažādus priekšmetus kastē (ar aizsietām acīm). Pēc tam viņi uzzīmēs to, ko viņi "redzēja", un kā komanda vienojas par to, kas varētu būt kastē esošais objekts. Visbeidzot, komandas izstrādā detalizētu zīmējumu, kurā parādīts objekts, par kuru tās vienojās.
7. Paziņojiet laiku, kas viņiem ir nepieciešams, lai pabeigtu darbību (ieteicams 1 stunda).
8. Izmantojiet taimeri vai tiešsaistes hronometru (atpakaļskaitīšanas funkcija), lai nodrošinātu pareizu savlaicīgumu. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Dodiet studentiem regulāras “laika pārbaudes”, lai viņi turpinātu pildīt uzdevumu. Ja viņi cīnās, uzdodiet jautājumus, kas viņus novedīs pie ātrāka risinājuma.
9. Uzdodiet studentiem veikt šādas darbības:
   • Katrs komandas students pārmaiņus izmanto zīmuļa zondi, lai noteiktu formu, lai identificētu objektus kastē. Jums var būt vai nu aizsietas acis, vai arī kastē var izgriezt caurumu, lai jūsu roka un zīmulis varētu atrasties iekšpusē, neredzot, kas ir kastē.
   • Izmantojiet tikai zīmuļa galu, lai pārbaudītu kastes apakšas saturu vai virsmas laukumu.
   • Savā prātā sekojiet līdzi uztveramo objektu augstumam, formai un kopējam izmēram.
   • Pēc tam uzzīmējiet to, ko redzējāt, uz papīra — varat apsvērt skatu no augšas un sāniem, lai palīdzētu noteikt, kas atrodas kastē.
   • Kad katrs komandas students ir veicis izmeklēšanu, strādājiet kopā un dalieties savos zīmējumos un viedokļos par kastē esošo saturu. Panākt vienprātību kā komanda un izstrādājiet galīgo zīmējumu, kas ietver aptuvenos objekta mērījumus.
10. Komandas iepazīstina klasei jūsu idejas, zīmējumus un mērījumus, kā arī klausās citu komandu prezentācijas. Viņiem ir jāsalīdzina, cik tuvu viņu komandai bija faktiskā izmēra un formas noteikšana.
11. Klasē pārrunājiet studentu pārdomu jautājumus.
12. Lai iegūtu vairāk satura par šo tēmu, skatiet sadaļu “Rakšana dziļāk”.

Izvēles paplašināšanas darbība

Lieciet studentiem ar vienu roku atspoguļot to, ko viņi “jūt” kastē, vienlaikus zīmējot uz papīra ar otru roku.

Studentu refleksija (inženieru piezīmju grāmatiņa)

1. Cik precīzi formas ziņā jūsu komanda identificēja objektu? Ko jūs atradāt kastē?
2. Cik precīzi jūsu komanda noteica kastē esošā objekta faktisko izmēru?
3. Par cik procentiem jūsu aprēķins atšķīrās no kastē esošā objekta faktiskā izmēra?
4. Vai jūs domājat, ka laiks, kas jums bija nepieciešams, lai “ieskatītos” kastē ar zondi, ietekmēja jūsu atradumu precizitāti?
5. Vai jūs domājāt, ka darbs komandā padarīja šo projektu vieglāku vai grūtāku? Kāpēc?

Nodarbību var veikt tikai 1 klases periodā vecākiem skolēniem. Tomēr, lai palīdzētu studentiem nejusties sasteigtiem un nodrošinātu studentu panākumus (īpaši jaunākiem skolēniem), sadaliet stundu divos periodos, dodot studentiem vairāk laika domāt par idejām, pārbaudīt idejas un pabeigt to noformējumu. Veiciet pārbaudi un pārskatu nākamajā klases periodā.

Kas ir nanotehnoloģija?

Iedomājieties, ka varat novērot sarkano asins šūnu kustību, kad tās pārvietojas pa jūsu vēnu. Kā būtu novērot nātrija un hlora atomus, kad tie nonāk pietiekami tuvu, lai faktiski pārnestu elektronus un izveidotu sāls kristālu vai novērotu molekulu vibrāciju, temperatūrai paaugstinoties ūdens traukā? Pēdējo desmitgažu laikā izstrādāto un uzlaboto rīku vai “jomu” dēļ mēs varam novērot tādas situācijas kā daudzi piemēri šīs rindkopas sākumā. Šo spēju novērot, izmērīt un pat manipulēt ar materiāliem molekulārā vai atomu mērogā sauc par nanotehnoloģiju vai nanozinātni. Ja mums ir nano “kaut kas”, mums ir viena miljardā daļa no šī kaut kā. Zinātnieki un inženieri izmanto nano prefiksu daudziem "kaut kam", tostarp metru garumam, sekundēm (laikam), litriem (tilpumam) un gramiem (masai), lai attēlotu to, kas saprotams ir ļoti mazs daudzums. Visbiežāk nano tiek piemērots garuma skalai, un mēs mērām un runājam par nanometriem (nm). Atsevišķi atomi ir mazāki par 1 nm diametrā, un pēc kārtas ir nepieciešami aptuveni 10 ūdeņraža atomi, lai izveidotu līniju 1 nm garumā. Citi atomi ir lielāki par ūdeņradi, bet to diametrs joprojām ir mazāks par nanometru. Tipisks vīruss ir aptuveni 100 nm diametrā, un baktērija ir aptuveni 1000 nm no galvas līdz astei. Rīki, kas ļāvuši mums novērot iepriekš neredzamo nanomēroga pasauli, ir atomu spēku mikroskops un skenējošais elektronu mikroskops.

Cik liels ir mazs?

Var būt grūti iztēloties, cik mazas lietas ir nanoskaļā. Šis vingrinājums var palīdzēt jums vizualizēt, cik liels var būt mazs! Apsveriet boulinga bumbu, biljarda bumbu, tenisa bumbu, golfa bumbu, marmoru un zirņus. Padomājiet par šo priekšmetu relatīvo lielumu.

Skenēšanas elektronu mikroskops

Skenējošais elektronu mikroskops ir īpašs elektronu mikroskopa veids, kas rada parauga virsmas attēlus, skenējot to ar augstas enerģijas elektronu kūli rastra skenēšanas veidā. Rastra skenēšanas laikā attēls tiek sagriezts virknē (parasti horizontālas) sloksnes, kas pazīstamas kā “skenēšanas līnijas”. Elektroni mijiedarbojas ar atomiem, kas veido paraugu, un rada signālus, kas sniedz datus par virsmas formu, sastāvu un pat to, vai tā var vadīt elektrību. Daudzus attēlus, kas uzņemti ar skenējošiem elektronu mikroskopiem, var apskatīt vietnē www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atomu spēku mikroskopi

Attēlveidošana nano mērogā

Lai “redzētu”, kā materiālu virsma izskatās nano mērogā, inženieri ir izstrādājuši virkni ierīču un sistēmu, lai izpētītu, kā uzvedas objekta virsma. Daudzus attēlus varat apskatīt Dartmutas elektronu mikroskopa objektā vietnē www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Atomu spēku mikroskopi

Atomu spēku mikroskops ir īpaša veida skenēšanas zondes mikroskops (SPM), kas apkopo informāciju, izmantojot zondi, lai pieskartos objekta virsmai vai pārvietotos pa to. Izšķirtspēja ir ļoti augsta, nanometra daļa. AFM tika izgudrots 1982. gadā uzņēmumā IBM, un pirmais komerciāli pieejamais atomu spēka mikroskops tika ieviests 1989. gadā. AFM joprojām ir viens no svarīgākajiem instrumentiem, lai mērītu un attēlotu jebko nanomērogā. Tas var diezgan precīzi izveidot parauga trīsdimensiju attēlu vai topogrāfiju, un tam ir daudz pielietojumu. Ja varat iedomāties, ka aizveriet acis un izmantojiet zīmuļa galu, lai noskaidrotu, kāds objekts atrodas kastē, varat iedomāties, kā darbojas šāda veida mikroskops! Viena no atomu spēku mikroskopa priekšrocībām ir tā, ka tam nav nepieciešama īpaša vide un tas labi darbojas vidējā vidē vai pat šķidrumā. Tas ļauj izpētīt bioloģiju makromolekulu līmenī vai pat pārskatīt dzīvos organismus.

Interneta savienojumi

• Atomu spēka mikroskopija
• Virtuālais mikroskops

Ieteicamais Reading

• Skenējošās zondes mikroskopija: uzgaļa laboratorija (uzlaboti teksti fizikā) (ISBN: 978-3642077371)
• Skenējošās zondes mikroskopija (ISBN: 978-3662452394)

Rakstīšanas aktivitāte

Uzrakstiet eseju vai rindkopu par to, kā nanotehnoloģiju sasniegumi ir ietekmējuši veselības aprūpes un medicīnas jomu.

Pielāgošana mācību programmas ietvariem

Piezīme: Šīs sērijas stundu plāni ir saskaņoti ar vienu vai vairākiem no šiem standartu kopumiem:

• S. Zinātnes izglītības standarti (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Nākamās paaudzes zinātnes standarti (http://www.nextgenscience.org/)
• Starptautiskās tehnoloģiju izglītības asociācijas tehnoloģiskās pratības standarti (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Nacionālā matemātikas skolotāju principi un standarti skolu matemātikā (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• S. Vispārējie matemātikas pamatstandarti (http://www.corestandards.org/Math)
• Datorzinātņu skolotāju asociācijas K-12 datorzinātņu standarti (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Nacionālie zinātnes izglītības standarti K-4 pakāpe (4–9 gadu vecums)

SATURA A STANDARTS: Zinātne kā izmeklēšana

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem vajadzētu attīstīties

• Zinātniskās izpētes veikšanai nepieciešamās spējas
• Izpratne par zinātnisko izpēti

SATURA B STANDARTS: Fiziskā zinātne

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Objektu un materiālu īpašības
• Objektu novietojums un kustība

E SATURA STANDARTS: Zinātne un tehnoloģija

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem vajadzētu attīstīties

• Tehnoloģiskā dizaina spējas

F SATURA STANDARTS: Zinātne personīgajā un sociālajā perspektīvā

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Zinātne un tehnoloģija vietējos izaicinājumos

G SATURA STANDARTS: Zinātnes vēsture un daba

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Zinātne kā cilvēka centieni

Nacionālie zinātnes izglītības standarti 5. – 8. Klase (vecumā no 10 līdz 14 gadiem)

SATURA A STANDARTS: Zinātne kā izmeklēšana

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem vajadzētu attīstīties

• Zinātniskās izpētes veikšanai nepieciešamās spējas
• Izpratne par zinātnisko izpēti

SATURA B STANDARTS: Fiziskā zinātne

Viņu aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Matērijas īpašības un īpašību izmaiņas

E SATURA STANDARTS: Zinātne un tehnoloģija

5.-8.klašu aktivitāšu rezultātā visiem skolēniem vajadzētu attīstīties

• Tehnoloģiskā dizaina spējas
• Izpratne par zinātni un tehnoloģiju

F SATURA STANDARTS: Zinātne personīgajā un sociālajā perspektīvā

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Zinātne un tehnoloģija sabiedrībā 

Nacionālie zinātnes izglītības standarti 5. – 8. Klase (vecumā no 10 līdz 14 gadiem)

G SATURA STANDARTS: Zinātnes vēsture un daba

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Zinātne kā cilvēka centieni
• Zinātnes būtība

Nacionālie zinātnes izglītības standarti 9. – 12. Klase (vecumā no 14 līdz 18 gadiem)

SATURA A STANDARTS: Zinātne kā izmeklēšana

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem vajadzētu attīstīties

• Zinātniskās izpētes veikšanai nepieciešamās spējas
• Izpratne par zinātnisko izpēti

SATURA B STANDARTS: Fiziskā zinātne

Viņu aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Matērijas struktūra un īpašības

E SATURA STANDARTS: Zinātne un tehnoloģija

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem vajadzētu attīstīties

• Tehnoloģiskā dizaina spējas
• Izpratne par zinātni un tehnoloģiju

F SATURA STANDARTS: Zinātne personīgajā un sociālajā perspektīvā

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Zinātne un tehnoloģija vietējiem, nacionāliem un globāliem izaicinājumiem

G SATURA STANDARTS: Zinātnes vēsture un daba

Aktivitāšu rezultātā visiem studentiem būtu jāattīsta izpratne par

• Zinātne kā cilvēka centieni
• Zinātnisko zināšanu būtība
• Vēsturiskās perspektīvas

 Nākamās paaudzes zinātnes standarti, 2. – 5. Klase (7. – 11. Vecums)

Studenti, kuri izrāda sapratni, var:

Matērija un tās mijiedarbība

• 5-PS1-1. Izstrādājiet modeli, lai aprakstītu, ka matērija sastāv no daļiņām, kas ir pārāk mazas, lai tās varētu redzēt.
• 5-PS1-3. Veiciet novērojumus un mērījumus, lai identificētu materiālus, pamatojoties uz to īpašībām. 

Tehnoloģiskās pratības standarti - visos vecumos 

Tehnoloģijas daba

• 1. standarts: Studenti attīstīs izpratni par tehnoloģiju īpašībām un apjomu.
• 2. standarts: Studenti attīstīs izpratni par tehnoloģijas pamatjēdzieniem.
• 3. standarts: Studenti attīstīs izpratni par sakarībām starp tehnoloģijām un saiknēm starp tehnoloģijām un citām studiju jomām. 

Tehnoloģija un sabiedrība

• 4. standarts: Studenti attīstīs izpratni par tehnoloģiju kultūras, sociālo, ekonomisko un politisko ietekmi.
• 6. standarts: Studenti attīstīs izpratni par sabiedrības lomu tehnoloģiju attīstībā un izmantošanā.
• 7. standarts: Studenti attīstīs izpratni par tehnoloģiju ietekmi uz vēsturi.

Tehnoloģiskās pasaules spējas

13. standarts: Studenti attīstīs spējas novērtēt produktu un sistēmu ietekmi.

Izmēģiniet savus spēkus skenējošās zondes mikroskopā!

Pētījuma fāze

Izlasiet skolotāja sniegtos materiālus. Ja jums ir piekļuve internetam, skatiet pamācību arī šajā vietnē: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Tas ilustrēs, kā darbojas skenēšanas zondes mikroskopi, un palīdzēs jums saprast, kā jūs veiksiet līdzīgu uzdevumu, veicot šo darbību.

Izmēģini!

Katrs jūsu komandas students pēc kārtas izmantos zīmuļa zondi, lai noteiktu kastē esošā objekta formu vai identificētu to. Jums var būt vai nu aizsietas acis, vai arī kastē var izgriezt caurumu, lai jūsu roka un zīmulis varētu atrasties iekšpusē, neredzot, kas ir kastē.

Izmantojiet tikai zīmuļa galu, lai pārbaudītu kastes apakšas saturu vai virsmas laukumu. Savā prātā sekojiet līdzi uztveramo objektu augstumam, formai un kopējam izmēram.

Pēc tam uzzīmējiet to, ko redzējāt, uz papīra — varat apsvērt skatu no augšas un sāniem, lai palīdzētu noteikt, kas atrodas kastē.

Kad katrs komandas students ir veicis izmeklēšanu, strādājiet kopā un dalieties savos zīmējumos un viedokļos par kastē esošo saturu. Panākt vienprātību kā komanda un izstrādājiet galīgo zīmējumu, kas ietver aptuvenos objekta mērījumus

Prezentācijas un pārdomu fāze

Prezentējiet savas idejas, zīmējumus un mērījumus klasei, kā arī klausieties citu komandu prezentācijas. Skatiet, cik tuvu bija jūsu komanda vai citas komandas, nosakot faktisko lielumu un formu. Pēc tam aizpildiet pārdomu lapu.

Pārdomas

Aizpildiet tālāk minētos pārdomu jautājumus:

1. Cik precīzi formas ziņā jūsu komanda identificēja objektu? Ko jūs atradāt kastē?

2. Cik precīzi jūsu komanda noteica kastē esošā objekta faktisko izmēru?

3. Par cik procentiem jūsu aprēķins atšķīrās no kastē esošā objekta faktiskā izmēra?

4. Vai jūs domājat, ka laiks, kas jums bija nepieciešams, lai “ieskatītos” kastē ar zondi, ietekmēja jūsu atradumu precizitāti?

5. Vai jūs domājāt, ka darbs komandā padarīja šo projektu vieglāku vai grūtāku? Kāpēc?