Физи Нано предизвик

Изградба на материјали (за секој тим)

Потребни материјали

• Чисти чаши
• Антацидни таблети или таблети витамин Ц (било каков вид на таблети што произведуваат гас)
• Вода
• Плик (за дробење таблета)

Дизајн предизвик

Вие сте тим инженери со оглед на предизвикот да спроведете експеримент со употреба на цели и мелени газирани таблети за да документирате како се однесуваат кога се воведуваат во вода.

Критериуми

• Мора да користите „газирани“ таблети.

Ограничувања

• Користете ги само дадените материјали.

1. Пауза од часови во тимови од 3-4.
2. Поделете го работниот лист Fizzy Nano.
3. Дискутирајте за темите во Делот за концепти на позадината. За да ја воведете лекцијата, размислете да ги прашате студентите дали мислат дека големината на материјалот, како што е активната состојка во сончањето, влијае на тоа како се изведува.
4. Прегледајте го процесот на инженерско дизајнирање, предизвик за дизајн, критериуми, ограничувања и материјали.
5. Научете ги студентите да го разгледаат својот предизвик и како тим да одлучат какво влијание ќе имаат дробењето на антацидните таблети врз тоа како тие се однесуваат во вода. Тие треба да документираат хипотези за она што мислат дека може да се случи поинаку кога ќе се додаде вода на цела таблета наспроти смачкана таблета.
6. Најавете го времето што им треба за да го завршат предизвикот (се препорачува 1 час).
7. 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.
8. Обезбедете им на секој тим свои материјали.
9. Поучувајте ги тимовите да смачкаат една таблета, ставете ја во чашата и додадете 5 мл. / 150 мл вода. Студентите треба да набудуваат што се случува и да ги споредат своите хипотези со реалните резултати.
10. Следно, упати ги тимовите да стават цела таблета во чашата и да додадат 5 мл. / 150 мл вода. Студентите треба да набудуваат што се случува и да ги споредат своите хипотези со реалните резултати.
11. Како час, дискутирајте ги прашањата за рефлексија на ученикот.
12. За повеќе содржини на темата, видете во делот „Копање подлабоко“.

Рефлексија на студентите (тетратка за инженеринг)

1. Колку беше точна вашата хипотеза во споредба со она што се случи?
2. Што ве изненади за тоа што го видовте?
3. Кои други хипотези беа развиени од други студентски тимови?
4. Што мислите, што може да се случи ако наместо тоа користевте поголема цела таблета? Што ако бевте во можност да ја смачкате таблетата во прав?
5. Дали сметавте дека работата како тим го олесни или отежна овој проект? Зошто?
6. Дадете пример за тоа како површината влијае на друг материјал.

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 дека можете да го набудувате движењето на црвените крвни клетки додека се движат низ вашата вена. Како би било да се набудуваат атомите на натриум и хлор кога тие се приближуваат доволно за вистински да пренесат електрони и да формираат солен кристал 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 што се многу од примерите на почетокот на овој пасус. Оваа можност за набудување, мерење, па дури и манипулирање со материјали во молекуларна или атомска скала се нарекува нанотехнологија или нано-наука. 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 грамови (маса) за да претставуваат што е разбирливо многу мала количина. Најчесто нано се применува на скалата на должина и мериме и зборуваме за нанометри (nm). Индивидуалните атоми се со дијаметар помал од 1 nm, 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 има дијаметар од околу 100 nm и бактерија е околу 1000 nm од глава до опашка. Алатките што ни овозможија да го набудуваме претходно невидливиот свет на нано скалата се микроскоп за атомска сила и електронски 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 може да биде „големо“ мало! 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

• Ограничувања: Ограничувања со материјалот, времето, големината на тимот итн.
• Критериуми: Услови кои дизајнот мора да ги задоволува како неговата вкупна големина итн.
• Инженери: Пронаоѓачи и решавачи на проблеми на светот. Дваесет и пет главни специјалитети се препознаени во инженерството (види инфографик).
• Процес на инженерско дизајнирање: Процесните инженери користат за да решаваат проблеми. 
• Инженерски навики на умот (EHM): Шест уникатни начини на кои размислуваат инженерите.
• Хипотеза: предвидување или образована претпоставка што може да се тестира и може да се користи за да се води понатамошна студија.
• Итерација: Тестот и редизајнот е една итерација. Повторете (повеќе повторувања).
• Својства на нано размери: во многу случаи се разликуваат од својствата на материјалите забележани во други размери. Размислете, на пример, точката на топење на металите. Наночестичките често покажуваат пониска точка на топење од соодветните метали во најголемиот дел, а овие точки на топење зависат од големината.
• Нанотехнологија: Способност за набљудување, мерење, па дури и манипулирање со материјали во молекуларна или атомска скала.
• Прототип: Работен модел на решението што треба да се тестира.
• Електронски микроскоп за скенирање: Специјален тип на електронски микроскоп кој создава слики од површината на примерокот со скенирање со високоенергетски сноп од електрони во растерска шема на скенирање.
• Површина: Мерката за тоа колкава површина има еден објект. Се изразува во квадратни единици

Интернет конекции

• Национална иницијатива за нанотехнологија

Препорачано четиво

• Нанотехнологија за амили (ISBN: 978-0470891919)
• Наука на нано скалата: Воведен учебник (ISBN: 978-9814241038)

Активност за пишување

Напишете есеј или пасус за тоа како напредувањето преку нанотехнологијата го сменило водоотпорноста на материјалите.

Усогласување со рамки на наставните програми

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

• Стандарди за образование на науки во САД (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• Научни стандарди на следната генерација на САД (http://www.nextgenscience.org/) 
• Стандарди за меѓународна технолошка асоцијација за технолошка писменост (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• Национален совет на наставници по математика на САД, принципи и стандарди за училишна математика (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• Заеднички основни државни стандарди на САД 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 

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија 

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

• 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 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

• 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

• Лично здравје 
• Ризици и придобивки 
• 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 
• Историја 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 
• Хемиски реакции 

СТАНДАРД СОДРИНА Е: Наука и технологија

Како резултат на активности, сите ученици треба да се развиваат

• 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 - одделение 2-5 (7-11 возраст)

• 2-ПС1-2. Анализирајте ги податоците добиени од тестирање на различни материјали за да утврдите кои материјали имаат својства што се најпогодни за намена.

Стандарди за наука на следната генерација - одделение 6-8 (11-14 возраст)

Материјата и нејзините интеракции

• MS-PS1-2. Анализирајте ги и интерпретирајте ги податоците за својствата на супстанциите пред и по интеракцијата на супстанциите за да утврдите дали настанала хемиска реакција. 

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 5: Студентите ќе развијат разбирање за ефектите на технологијата врз животната средина.
• Стандард 6: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на општеството во развојот и употребата на технологијата.

дизајн

• Стандард 10: Студентите ќе развијат разбирање за улогата на смена на проблеми, истражување и развој, пронајдоци и иновации и експериментирање во решавање проблеми.

Способности за технолошки свет

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

Предизвик на површината

Фаза на истражување

Прочитајте ги материјалите што ви ги дава наставникот.

Хипотеза

Како тим, одлучете што ако нешто што мислите дека може да се случи поинаку кога ќе се додаде вода во цела таблета антиацид или кога ќе се додаде вода во смачкана или распаѓана антацид таблета. Во полето подолу, напишете реченица или две опишувајќи ја хипотезата на вашиот тим.

Тест

Сега, тестирајте ја вашата хипотеза! Ставете една цела таблета во една од двете чаши што ви се дадени и смачкајте друга таблета во коверт за да помогнете во распаѓањето на деловите. Можете исто така едноставно да ја разбиете целата таблета на десет до петнаесет помали парчиња ако сакате. Испуштете ја расипаната таблета во втората чаша. Потоа додадете околу 5 мл. или 150 ml вода на секоја од нив.

Набудување и резултати

Наб Obsудувајте и дискутирајте што се случило - ако има нешто - и споредете ги резултатите со хипотезата на вашиот тим.

Фаза на презентација и рефлексија
Презентирајте ја својата оригинална хипотеза и набationsудувајте експерименти на часот и слушајте ги презентациите на другите тимови. Потоа пополнете го листот со рефлексија.

Одраз

Пополнете ги прашањата за рефлексија подолу:

1. Колку беше точна вашата хипотеза во споредба со она што се случи?

2. Што ве изненади за тоа што го видовте?

3. Кои други хипотези беа развиени од други студентски тимови?

4. Што мислите, што може да се случи ако наместо тоа користевте поголема цела таблета? Што ако бевте во можност да ја смачкате таблетата во прав?

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

6. Дадете пример за тоа како површината влијае на друг материјал.