Бидете микроскоп за сондата за скенирање

Оваа лекција истражува како овие микроскопи ја мерат површината на материјалите на нано ниво. Студентите работат во тимови за да научат за микроскопите за скенирање сонди (СПМ), а потоа користат молив за визуелно да ја почувствуваат формата на предметите што не можат да ги видат. Врз основа на чувството за допир преку молив, учениците ја имитираат функцијата на СПМ. Тие го цртаат она што нивниот ум го „виде“.

  • Дознајте за нанотехнологијата.
  • Дознајте за скенирање на микроскопи сонда.
  • Дознајте како инженерството може да помогне во решавањето на предизвиците на општеството. 

Возрасни нивоа: 8-12

Изградба на материјали (за секој тим)

Потребни материјали за училница

  • Кутија со предмет прикачен на дното (владетел, хартиена чаша, тула, парче овошје)
  • Со врзани очи или исечете дупка во кутијата за да можат учениците да ја соберат својата рака и молив внатре, без да видат што има во кутијата. 

Потребни материјали за тимови

  • Хартија
  • Пенкало
  • Молив
  • Пристап до интернет, по избор

Дизајн предизвик

Вие сте тим инженери со предизвик да користите сонда за моливи за да „почувствувате“ два различни предмети во кутија (без да ги гледате предметите). Следно, ќе го нацртате она што го „видовте“ и како тим ќе се согласите што би можело да биде објектот во кутијата. Потоа, тимовите развиваат детален цртеж што го покажува предметот за кој сте се договориле.

Критериуми

  • Мора да користите молив за да ги „почувствувате“ предметите.
  • Не смеете да ги гледате предметите (со врзани очи или дупка пресечена во кутијата за да собере рака и молив)

Ограничувања

  • Користете ги само дадените материјали.

Потребно време: Една до две сесии од 45 минути.

  1. Пауза од часови во тимови од 2-4.
  2. Распредели го работниот лист „Биди скенирање со микроскоп сонда“.
  3. Дискутирајте за темите во делот Позадни концепти. Замолете ги учениците да размислат како инженерите ја мерат површината на нештата што се премногу мали за да се видат. Доколку е достапен Интернет, споделете Виртуелен микроскоп (http://virtual.itg.uiuc.edu).
  4. Прегледајте го процесот на инженерско дизајнирање, предизвик за дизајн, критериуми, ограничувања и материјали.
  5. Обезбедете им на секој тим свои материјали.
  6. Објаснете дека учениците мора да користат молив за да „почувствуваат“ два различни предмети во кутија (со врзани очи). Следно, тие ќе го нацртаат она што го „виделе“ и како тим ќе се договорат за тоа што може да биде предметот во кутијата. Конечно, тимовите развиваат детален цртеж што го покажува предметот за кој се договориле.
  7. Објавете го времето што им треба за да ја завршат активноста (се препорачува 1 час).
  8. Користете тајмер или он-лајн стоперка (одбројување одлика) за да се осигурате дека ќе бидете навреме. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Дајте им редовни „проверки на времето“ на студентите за да останат на задачата. Ако се борат, поставете прашања што побрзо ќе ги доведат до решение.
  9. Научете ги учениците да го направат следново:
    • Секој ученик во тимот наизменично користи сонда за молив за да ја одреди формата за да ги идентификува предметите во кутија. Можеби ќе ви бидат врзани очите или ќе ви се пресече дупка во кутија, така што раката и моливчето ќе бидат внатре без да видите што има во кутијата.
    • Користете го само врвот на моливчето за да ја испитате содржината или површината на дното на кутијата.
    • Во умот, следете ја висината на предметите што ги чувствувате, нивната форма и целокупната големина.
    • Следно, нацртајте го она што го „видовте“ на парче хартија - можеби ќе сакате да земете во предвид горен и страничен поглед за да помогнете да се одреди што има во кутијата.
    • Кога секој студент од тимот ќе ја заврши истрагата, работете заедно и споделете ги вашите цртежи и мислења за она што е во кутијата. Излезете со консензус како тим и развијте конечен цртеж што вклучува проценети мерења на објектот.
  10. Тимовите ги презентираат вашите идеи, цртежи и мерења на часот и ги слушаат презентациите на другите тимови. Тие треба да споредат колку нивниот тим бил близу во одредувањето на вистинската големина и форма.
  11. Како час, дискутирајте ги прашањата за рефлексија на ученикот.
  12. За повеќе содржини на темата, видете во делот „Копање подлабоко“.

Активност по изборна наставка

Учениците нека го отсликаат она што го „чувствуваат“ во кутијата со едната рака, цртајќи истовремено на хартија со другата рака.

Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)

  1. Колку вашиот тим беше точен во однос на обликот во идентификувањето на објектот? Што најдовте во кутијата?
  2. Колку беше точен вашиот тим во одредувањето на вистинската големина на објектот во кутијата?
  3. За колку проценти вашата проценка на големината беше од вистинската големина на објектот во кутијата?
  4. Дали мислите дека времето што ви требаше да „видите“ во кутијата со сондата влијаеше на тоа колку беа точни вашите наоди?
  5. Дали сметавте дека работата како тим го олесни или отежна овој проект? Зошто?

Модификација на времето

Лекцијата може да се заврши во период од само 1 час за постари ученици. Сепак, за да им помогнете на студентите да се почувствуваат избрзани и да обезбедат успех на студентите (особено за помладите ученици), поделете ја лекцијата во два периоди, давајќи им на студентите повеќе време за бура на идеи, тест идеи и финализирање на нивниот дизајн. Спроведете тестирање и дебрифија во следниот час.

Што е нанотехнологија?

Замислете да бидете во можност да го набудувате движењето на црвените крвни клетки додека се движи низ вашата вена. Како би било да се набудуваат атомите на натриум и хлор додека се приближуваат доволно за да пренесат електрони и да формираат кристал од сол или да ги набудуваат вибрациите на молекулите додека температурата се зголемува во тава со вода? Поради алатките или „опсегот“ што се развиени и подобрени во последните неколку децении, можеме да набудуваме ситуации како многу примери на почетокот на овој став. Оваа способност за наб observeудување, мерење, па дури и манипулација со материјали во молекуларна или атомска скала се нарекува нанотехнологија или нанонаука. Ако имаме нано „нешто“, имаме еден милијардити дел од тоа нешто. Научниците и инженерите го применуваат нано префиксот на многу „нешта“, вклучувајќи должина на метри), секунди (време), литри (волумен) и грамови (маса) за да претставуваат што е разбирливо многу мала количина. Најчесто нано се применува на скалата за должина и ние мериме и зборуваме за нанометри (nm). Поединечните атоми се помали од 1 nm во дијаметар, при што се потребни околу 10 атоми на водород по ред за да се создаде линија 1 nm во должина. Другите атоми се поголеми од водородот, но сепак имаат дијаметар помал од нанометар. Типичен вирус е со дијаметар од околу 100 nm, а бактеријата е околу 1000 nm од глава до опашка. Алатките што ни овозможија да го набудуваме претходно невидливиот свет на нано скала се микроскопот Атомска сила и електронскиот микроскоп за скенирање.

Колку е мало големо?

Може да биде тешко да се визуелизира колку се мали нештата во нано скалата. Следната вежба може да ви помогне да визуелизирате колку големи можат да бидат малите! Размислете за топка за куглање, топка за билјард, топка за тенис, топка за голф, мермер и грашок. Размислете за релативната големина на овие предмети.

Електронски микроскоп за скенирање

Електронскиот микроскоп за скенирање е посебен вид електронски микроскоп што создава слики од површината на примерокот скенирајќи ја со високоенергетски зрак на електрони во модел на растерско скенирање. Во растерско скенирање, сликата се сече во низа (обично хоризонтални) ленти познати како „линии за скенирање“. Електроните комуницираат со атомите што го сочинуваат примерокот и произведуваат сигнали кои обезбедуваат податоци за обликот, составот на површината, па дури и за тоа дали може да спроведе електрична енергија. Може да се прегледаат многу слики направени со електронски микроскопи за скенирање www.dartmouth.edu/~emlab/ галерија.

Микроскопи за атомска сила

Слики на нано скала

Со цел да „видат“ како изгледа површината на материјалите во нано скала, инженерите развиле низа уреди и системи за да истражат како се однесува површината на објектот. Можете да видите многу слики во електронскиот микроскопски објект Дартмут на www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Микроскопи за атомска сила

Микроскоп за атомска сила е специјален тип на микроскоп за сондата за скенирање (СПМ), кој собира информации со помош на сонда за допирање или движење над површината на субјектот. Резолуцијата е многу висока, во дел од нанометар. AFM беше измислен во 1982 година во IBM и првиот комерцијално достапен микроскоп за атомска сила беше воведен во 1989 година. AFM останува една од најважните алатки за мерење и сликање на с anything во нано скала. Може сосема точно да развие тродимензионална слика или топографија на примерок и има многу апликации. Ако можете да замислите да ги затворите очите и да го користите врвот на моливчето за да откриете каков предмет има во кутија, можете да замислите како функционира овој тип на микроскоп! Една предност на микроскопот за атомска сила е тоа што не бара посебно опкружување и работи добро во просечна средина, па дури и во течност. Ова овозможува да се истражи биологијата на ниво на макромолекули, па дури и да се прегледаат живите организми.

Интернет конекции

Препорачано четиво

  • Микроскопија на сондата за скенирање: Лабораторијата на совет (напредни текстови во физиката) (ISBN: 978-3642077371)
  • Микроскопија на сондата за скенирање (ISBN: 978-3662452394)

Активност за пишување

Напишете есеј или параграф за тоа како напредокот преку нанотехнологијата има влијание врз областа на здравствената заштита и медицината.

Усогласување со рамки на наставните програми

Забелешка: Плановите за лекции во оваа серија се усогласени со еден или повеќе од следниве групи на стандарди:

Национални стандарди за образование во наука Одделение К-4 (возраст 4-9)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

  • Способности неопходни за вршење на научни истражувања
  • Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на активностите, сите ученици треба да развијат разбирање за

  • Карактеристики на предмети и материјали
  • Позиција и движење на предметите

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

  • Способности на технолошки дизајн

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

  • Наука и технологија во локалните предизвици

СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

  • Науката како човечки потфат

Национални стандарди за образование во наука Одделение 5-8 (возраст од 10-14)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

  • Способности неопходни за вршење на научни истражувања
  • Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

  • Својства и промени на својствата во материјата

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности во 5-8 одделение, сите ученици треба да се развиваат

  • Способности на технолошки дизајн
  • Разбирање за науката и технологијата

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

  • Наука и технологија во општеството 

Национални стандарди за образование во наука Одделение 5-8 (возраст од 10-14)

СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

  • Науката како човечки потфат
  • Природа на науката

Национални стандарди за образование во наука Одделение 9-12 (возраст од 14-18)

СТАНДАРД СОДРИНА А: Наука како истражување

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

  • Способности неопходни за вршење на научни истражувања
  • Разбирање за научни истражувања

СОДРИНА СТАНДАРД Б: физички науки

Како резултат на нивните активности, сите студенти треба да развијат разбирање за

  • Структура и својства на материјата

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

  • Способности на технолошки дизајн
  • Разбирање за науката и технологијата

СТАНДАРД СОДРИНА Ф: Наука во лични и социјални перспективи

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

  • Наука и технологија во локални, национални и глобални предизвици

СТАНДАРД СОДРИНА Г: Историја и природа на науката

Како резултат на активности, сите ученици треба да развијат разбирање за

  • Науката како човечки потфат
  • Природа на научното знаење
  • Историски перспективи

 Стандарди за наука на следната генерација оценки 2-5 (7-11 возраст)

Студентите кои демонстрираат разбирање можат:

Материјата и нејзините интеракции

  • 5-ПС1-1. Развијте модел за да опишете дека материјата е направена од честички премногу мали за да се видат.
  • 5-ПС1-3. Направете набудувања и мерења за да ги идентификувате материјалите врз основа на нивните својства. 

Стандарди за технолошка писменост - сите векови 

Природата на технологијата

  • Стандард 1: Студентите ќе развијат разбирање за карактеристиките и обемот на технологијата.
  • Стандард 2: Студентите ќе развијат разбирање за основните концепти на технологијата.
  • Стандард 3: Студентите ќе развијат разбирање за односите меѓу технологиите и врските помеѓу технологијата и другите области на студии. 

Технологија и општество

  • Стандард 4: Студентите ќе развијат разбирање за културните, социјалните, економските и политичките ефекти на технологијата.
  • Стандард 6: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на општеството во развојот и употребата на технологијата.
  • Стандард 7: Студентите ќе развијат разбирање за влијанието на технологијата врз историјата.

Способности за технолошки свет

Стандард 13: Студентите ќе развијат способности за проценка на влијанието на производите и системите.

Обидете се да бидете микроскоп за сондата за скенирање!

Фаза на истражување

Прочитајте ги материјалите што ви ги дал вашиот наставник. Ако имате пристап до интернет, погледнете го и упатството на оваа веб -страница: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Willе илустрира како работат микроскопите на сондата за скенирање и ќе ви помогне да разберете како ќе извршите слична задача преку оваа активност.

Испробај го!

Секој ученик од вашиот тим наизменично ќе користи сонда за молив за да ја одреди формата или да идентификува објект во кутија. Можеби ќе ви бидат врзани очите или ќе ви се пресече дупка во кутија, така што раката и моливчето ќе бидат внатре без да видите што има во кутијата.

Користете го само врвот на моливчето за да ја испитате содржината или површината на дното на кутијата. Во умот, следете ја висината на предметите што ги чувствувате, нивната форма и целокупната големина.

Следно, нацртајте го она што го „видовте“ на парче хартија - можеби ќе сакате да земете во предвид горен и страничен поглед за да помогнете да се одреди што има во кутијата.

Кога секој студент од тимот ќе ја заврши истрагата, работете заедно и споделете ги вашите цртежи и мислења за она што е во кутијата. Излезете со консензус како тим и развијте конечен цртеж што вклучува проценети мерења на објектот

Фаза на презентација и рефлексија

Презентирајте ги вашите идеи, цртежи и мерења на часот и слушајте ги презентациите на другите тимови. Погледнете колку вашиот тим или другите тимови беа блиску во одредувањето на вистинската големина и форма. Потоа пополнете го листот за размислување.

Одраз

Пополнете ги прашањата за рефлексија подолу:

  1. Колку вашиот тим беше точен во однос на обликот во идентификувањето на објектот? Што најдовте во кутијата?

 

 

 

 

 

  1. Колку беше точен вашиот тим во одредувањето на вистинската големина на објектот во кутијата?

 

 

 

 

 

  1. За колку проценти вашата проценка на големината беше од вистинската големина на објектот во кутијата?

 

 

 

 

 

  1. Дали мислите дека времето што ви требаше да „видите“ во кутијата со сондата влијаеше на тоа колку беа точни вашите наоди?

 

 

 

 

 

  1. Дали сметавте дека работата како тим го олесни или отежна овој проект? Зошто?

 

 

Превод на план за час

Преземање на студентски сертификат за завршување