Бидете микроскоп за сондата за скенирање

Изградба на материјали (за секој тим)

Потребни материјали за училница

• Кутија со ставка залепена на дното (линијар, хартиена чаша, тула, парче овошје)
• Врзете ги очите или исечете дупка во кутијата за да можат учениците да ја вклопат раката и моливот внатре, без да видат што има во кутијата. 

Потребни материјали за тимови

• Хартија
• Пенкало
• Молив
• Пристап до интернет, опционален

Дизајн предизвик

Вие сте тим од инженери со оглед на предизвикот да користите сонда со молив за да „почувствувате“ два различни објекти во кутија (без да ги гледате предметите). Следно, ќе го нацртате она што сте го „виделе“ и како тим ќе се договорите каков може да биде предметот во кутијата. Потоа, тимовите развиваат детален цртеж што го прикажува предметот за кој сте се договориле.

Критериуми

• Мора да користите молив за да ги „почувствувате“ предметите.
• Не смее да може да ги гледа предметите (или врзани очи или дупка исечена во кутијата за да одговара на 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. Поделете го работниот лист Be a Scanning Probe Microscope.
3. Дискутирајте за темите во делот за концепти во заднина. Побарајте од учениците да размислат како инженерите ја мерат површината на нештата кои се премногу мали за да се видат. Доколку е достапен интернет, споделете го Виртуелниот 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 каков може да биде предметот во кутијата. Конечно, тимовите развиваат детален цртеж кој го прикажува предметот за кој се договориле.
7. Објавете го времето што го имаат 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 од тимот наизменично користи сонда со молив за да ја одреди формата за да ги идентификува предметите во кутија. Може да имате или со врзани очи или да ви се исече дупка во кутијата за да може вашата рака и моливот да бидат внатре без да видите што има во кутијата.
   • Користете го само врвот на моливот за да ја испитате содржината или површината на дното на кутијата.
   • Во вашиот ум, следете ја висината на предметите што ги чувствувате, нивната форма и вкупната големина.
   • Следно, нацртајте го она што го „видивте“ на парче хартија - можеби ќе сакате да размислите за горниот и страничниот поглед за да помогнете да одредите што има во кутијата.
   • Кога секој ученик од тимот ќе ја заврши истрагата, работете заедно и споделете ги вашите цртежи и мислења за тоа што е во кутијата. Дојдете со консензус како тим и развијте конечен цртеж кој вклучува проценети мерења на објектот.
10. Тимовите ги презентираат вашите идеи, цртежи и мерења на класот и ги слушаат презентациите на другите тимови. Тие треба да споредат колку нивниот тим бил близок 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 пресликаат она што го „чувствуваат“ во кутијата со едната рака, со цртање истовремено на хартија со другата рака.

Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)

1. Колку во однос на формата беше точен вашиот тим во идентификувањето на објектот? Што најдовте во кутијата?
2. Колку беше точен вашиот тим во одредувањето на вистинската големина на предметот во кутијата?
3. Со колкав процент беше отстапена вашата проценка на големината од вистинската големина на предметот во полето?
4. Дали мислите дека времето што ви требаше за да „видите“ внатре 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?

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 можете да го набљудувате движењето на црвените крвни зрнца додека се движи низ вашата вена. Како би било да се набљудуваат атомите на натриум и хлор додека се доближуваат доволно блиску за да пренесат електрони и да формираат кристал на сол или да ги набљудуваат вибрациите на молекулите додека температурата се зголемува во тава со вода? Поради алатките или „обемите“ кои се развиени и подобрени во последните неколку децении, можеме да набљудуваме ситуации како многу примери на почетокот на овој параграф. Оваа способност за набљудување, мерење, па дури и манипулирање 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 метри должина), секунди (време), литри (волумен) и грами (маса) за да го претстават она што е разбирливо многу мала количина. Најчесто нано се применува на скалата на должина и 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 со должина од 1 nm. 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 кои ни овозможија да го набљудуваме претходно невидливиот свет на наноскалата се Микроскопот со атомска сила и скенирачкиот електронски микроскоп.

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 со атомска сила

Слики во нано скала

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

Микроскопи со атомска сила

Микроскопот со атомска сила е посебен вид микроскоп со сонда за скенирање (SPM), кој собира информации со помош на сонда за допирање или движење над површината на субјектот. Резолуцијата е многу висока, на дел од нанометарот. 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 што било во наноскала. Може сосема точно да развие тродимензионална слика или топографија на примерок и има многу апликации. Ако можете да замислите како ги затворате очите и го користите врвот на моливот за да откриете кој предмет се наоѓа во кутијата, можете да замислите како функционира овој тип на микроскоп! Една од предностите на микроскопот со атомска сила е тоа што не бара посебна околина и работи добро во просечна средина, па дури и во течност. Ова овозможува да се истражува биологијата на ниво на макромолекули, па дури и да се прегледаат живите организми.

Интернет конекции

• Микроскопија на атомска сила
• Виртуелен микроскоп

Препорачано четиво

• Микроскопија на сонда за скенирање: Лабораторијата на врв (Напредни текстови во физиката) (ISBN: 978-3642077371)
• Микроскопија со сонда за скенирање (ISBN: 978-3662452394)

Активност за пишување

Напишете есеј или параграф за тоа како напредокот преку нанотехнологијата влијаел на полето на здравството 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:

• С. Стандарди за научно образование (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Научни стандарди за следната генерација (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарди за меѓународна технолошка асоцијација за технолошка писменост (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• S. Национален совет на наставници по математички принципи и стандарди за училишна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• С. Заеднички основни државни стандарди за математика (http://www.corestandards.org/Math)
• Здружение на наставници по компјутерски науки К-12 Стандарди за компјутерски науки (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

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-PS1-3. Направете набљудувања 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 со сонда 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-локација: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Тоа ќе илустрира како функционираат микроскопите со сонда 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 со молив за да го одреди обликот или да го идентификува предметот во кутија. Може да имате или со врзани очи или да ви се исече дупка во кутијата за да може вашата рака и моливот да бидат внатре без да видите што има во кутијата.

Користете го само врвот на моливот за да ја испитате содржината или површината на дното на кутијата. Во вашиот ум, следете ја висината на предметите што ги чувствувате, нивната форма и вкупната големина.

Следно, нацртајте го она што го „видивте“ на парче хартија - можеби ќе сакате да размислите за горниот и страничниот поглед за да помогнете да одредите што има во кутијата.

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

Фаза на презентација и рефлексија

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

Одраз

Пополнете ги прашањата за рефлексија подолу:

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

2. Колку беше точен вашиот тим во одредувањето на вистинската големина на предметот во кутијата?

3. Со колкав процент беше отстапена вашата проценка на големината од вистинската големина на предметот во полето?

4. Дали мислите дека времето што ви требаше за да „видите“ внатре 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?