Сканнердах микроскоп байх
Энэхүү хичээл нь эдгээр микроскопууд материалын гадаргууг нано түвшинд хэрхэн хэмждэгийг судлах болно. Оюутнууд багаар сканнердах микроскоп (SPMs) -ийн талаар олж мэдэхийн тулд харандаа ашиглан хараагүй зүйлийнхээ хэлбэрийг мэдэрдэг. Харандаагаар хүрэх мэдрэхүйд үндэслэн оюутнууд SPM -ийн функцийг дуурайдаг. Тэд оюун санааныхаа "харсан зүйлийг" зурдаг.
- Нанотехнологийн талаар олж мэдэх.
- Сканнерийн микроскопуудын талаар олж мэдэх.
- Инженерчлэл нь нийгмийн сорилтыг шийдвэрлэхэд хэрхэн тусалж болохыг олж мэдээрэй.
Насны түвшин: 8-12
Барилгын материал (баг бүрт)
Танхимд шаардлагатай материал
- Доод талд наасан зүйл бүхий хайрцаг (захирагч, цаасан аяга, тоосго, жимсний хэсэг)
- Оюутнууд гар, харандаа зэргийг багтахын тулд хайрцагт байгаа зүйлийг харахгүйгээр нүдийг нь таглаж эсвэл нүхийг хайчилж ав.
Багуудад шаардлагатай материалууд
- Цаас
- Pen
- Харандаа
- Интернэт холболт, нэмэлт
Дизайн сорилт
Хайрцаг доторх хоёр өөр объектыг (объектуудыг харахгүйгээр) "мэдрэх"-ийн тулд харандаа датчик ашиглах сорилттой инженерүүдийн баг юм. Дараа нь та "харсан" зүйлээ зурж, хайрцагт байгаа зүйл юу байж болохыг багаар тохиролцоно. Дараа нь багууд таны тохиролцсон объектыг харуулсан нарийвчилсан зураг боловсруулдаг.
Шалгуур
- Объектуудыг "мэдрэх" харандаа ашиглах ёстой.
- Обьектуудыг харах боломжгүй байх ёстой (нүд, гар, харандаанд багтах хайрцагны нүх, нүх)
Хязгаарлалт
- Зөвхөн өгсөн материалыг ашигла.
Шаардлагатай хугацаа: нэгээс хоёр удаа 45 минут.
- Ангийг 2-4 хүнтэй баг болгон хуваа.
- Сканнерийн мэдрэгчтэй микроскопын ажлын хуудсыг тараана.
- Үндсэн ойлголтын хэсэгт байгаа сэдвүүдийг ярилц. Инженерүүд харахад хэт жижиг зүйлсийн гадаргууг хэрхэн хэмждэгийг бодохыг оюутнуудаас хүс. Хэрэв интернет байгаа бол Виртуал микроскопыг хуваалцаарай (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- Инженерийн дизайны үйл явц, дизайны сорилт, шалгуур, хязгаарлалт, материалыг хянаж үзээрэй.
- Баг бүрийг өөрсдийн материалаар хангах.
- Оюутнууд харандаа ашиглан хайрцган доторх хоёр өөр зүйлийг “мэдрэх” ёстойг тайлбарла (нүд боолттой). Дараа нь тэд "харсан" зүйлээ зурж, хайрцагт байгаа зүйл юу байж болохыг багаар тохиролцоно. Эцэст нь багууд тохиролцсон объектоо харуулсан нарийвчилсан зураг боловсруулдаг.
- Тэд үйл ажиллагаагаа дуусгахад шаардагдах хугацааг зарла (1 цагийг санал болгож байна).
- Цагийг тогтмол байлгахын тулд таймер эсвэл онлайн секундомер ашиглана уу. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Оюутнуудад даалгавраа үргэлжлүүлэн биелүүлэхийн тулд тэдэнд "цагийн шалгалт" өгч байгаарай. Хэрэв тэд тэмцэж байгаа бол илүү хурдан шийдэлд хүргэх асуултуудыг асуугаарай.
- Оюутнуудад дараахь зүйлийг хийхийг заа.
- Багийн оюутан бүр ээлжлэн харандаа датчик ашиглан хайрцган дахь объектуудыг тодорхойлох хэлбэрийг тодорхойлдог. Та нүдээ боож, эсвэл хайрцагт юу байгааг харахгүйгээр гар, харандаа дотор байхаар хайрцагт нүх гаргаж болно.
- Хайрцагны ёроолын агуулгыг эсвэл гадаргуугийн талбайг шалгахын тулд харандааны үзүүрийг ашиглана уу.
- Мэдэрч буй объектуудын өндөр, хэлбэр, ерөнхий хэмжээг нь анхаарч үзээрэй.
- Дараа нь "харсан" зүйлээ цаасан дээр зураарай - хайрцагт юу байгааг тодорхойлоход туслахын тулд дээд болон хажуугийн зургийг авч үзэхийг хүсч болно.
- Багийн оюутан бүр шалгалт хийж дууссаны дараа хамт ажиллаж, хайрцагт байгаа зүйлсийнхээ талаар өөрийн зураг, санал бодлоо хуваалцаарай. Багийн хувьд зөвшилцөлд хүрч, объектын тооцоолсон хэмжилтийг багтаасан эцсийн зургийг боловсруул.
- Багууд таны санаа, зураг, хэмжилтийг ангидаа танилцуулж, бусад багийн танилцуулгыг сонсдог. Тэд багийнхаа бодит хэмжээ, хэлбэрийг тодорхойлоход хэр ойр байсныг харьцуулах ёстой.
- Ангийн хувьд оюутнуудын эргэцүүлэх асуултуудыг ярилц.
- Сэдвийн талаар илүү их мэдээлэл авахыг хүсвэл "Гүн ухах" хэсгийг үзнэ үү.
Нэмэлт өргөтгөлийн үйл ажиллагаа
Оюутнуудыг нэг гараараа цаасан дээр нэгэн зэрэг зурж, нэг гараараа хайрцган дахь "мэдэрсэн" зүйлээ тусгахыг хүс.
Оюутны тусгал (инженерийн дэвтэр)
- Танай баг объектыг тодорхойлохдоо хэлбэрийн хувьд хэр үнэн зөв байсан бэ? Хайрцагнаас юу олсон бэ?
- Хайрцаг дахь объектын бодит хэмжээг тодорхойлохдоо танай баг хэр үнэн зөв байсан бэ?
- Таны хайрцагт байгаа объектын бодит хэмжээнээс таны тооцоолсон үнэлгээ хэдэн хувиар буурсан бэ?
- Сорьцтой хайрцгийг “харахад” зарцуулсан хугацаа таны дүгнэлт хэр үнэн зөв болоход нөлөөлсөн гэж та бодож байна уу?
- Багаар ажиллах нь энэ төслийг хөнгөвчилсөн, хүндрүүлсэн гэж та бодож байсан уу? Яагаад?
Цагийн өөрчлөлт
Хичээлийг ахлах ангийн сурагчдад 1 ангиас бага хугацаанд хийж болно. Гэсэн хэдий ч оюутнуудад яаран сандрахаас зайлсхийж, оюутны амжилтыг баталгаажуулахын тулд (ялангуяа бага ангийн сурагчдын хувьд) хичээлийг хоёр үе болгон хувааж, оюутнуудад тархиа дуудаж, санаагаа туршиж, загвараа боловсруулж дуусгахад илүү их цаг өгөх болно. Дараагийн хичээлийн хугацаанд шалгалт хийж, дүгнэлт хийнэ.
Нанотехнологи гэж юу вэ?
Цусны улаан эсийн судсаар дамжин өнгөрөх хөдөлгөөнийг ажиглаж чадна гэж төсөөлөөд үз дээ. Натри, хлорын атомууд электрон дамжуулж, давсны талст үүсгэх хангалттай ойртож байгааг ажиглах эсвэл усны саванд температур нэмэгдэхэд молекулуудын чичиргээг ажиглах нь ямар байх вэ? Сүүлийн хэдэн арван жилийн хугацаанд хөгжүүлж, сайжруулсан багаж хэрэгсэл эсвэл "хүрээ"-ийн ачаар бид энэ догол мөрний эхэнд байгаа олон жишээ шиг нөхцөл байдлыг ажиглаж болно. Материалыг молекул эсвэл атомын хэмжээнд ажиглах, хэмжих, бүр удирдах чадварыг нанотехнологи буюу нано шинжлэх ухаан гэж нэрлэдэг. Хэрэв бидэнд нано "ямар нэг зүйл" байгаа бол түүний тэрбумын нэг нь бидэнд байна. Эрдэмтэд, инженерүүд нано угтварыг метрийн урт), секунд (цаг), литр (эзэлхүүн), грамм (масс) гэх мэт олон "зүйлд" ашигладаг бөгөөд энэ нь маш бага хэмжээг илэрхийлдэг. Ихэнхдээ нано уртын хуваарьт хэрэглэгддэг бөгөөд бид нанометр (нм) хэмжиж, ярьдаг. Бие даасан атомууд нь 1 нм -ээс бага диаметртэй бөгөөд 10 нм урттай шугам үүсгэхийн тулд 1 орчим устөрөгчийн атомыг дараалан авдаг. Бусад атомууд устөрөгчөөс том боловч нанометрээс бага диаметртэй хэвээр байна. Ердийн вирус нь 100 нм диаметртэй, нян нь толгойноос сүүл хүртэл 1000 нм орчим байдаг. Өмнө нь үл үзэгдэх нано хэмжээст ертөнцийг ажиглах боломжийг бидэнд олгосон хэрэгсэл бол Атомын хүчний микроскоп ба Сканнер электрон микроскоп юм.
Жижиг нь хэр том вэ?
Нано хэмжээс дээр жижиг зүйлүүд байгааг төсөөлөхөд хэцүү байж болно. Дараах дасгал нь хичнээн жижиг болохыг төсөөлөхөд тусална! Боулингийн бөмбөг, бильярдын бөмбөг, теннисний бөмбөг, гольфын бөмбөг, гантиг, вандуй зэргийг авч үзье. Эдгээр зүйлийн харьцангуй хэмжээг бодоорой.
Электрон микроскопоор скан хийх
Сканнерийн электрон микроскоп нь дээжийн гадаргууг өндөр энергитэй электрон цацрагаар растер сканнерын загвараар сканнердах замаар дүрсийг үүсгэдэг тусгай төрлийн электрон микроскоп юм. Растер скан хийхдээ зургийг "сканнердах шугам" гэж нэрлэдэг дарааллаар (ихэвчлэн хэвтээ) тууз болгон хуваадаг. Электронууд нь дээжийг бүрдүүлдэг атомуудтай харилцан үйлчилж, гадаргуугийн хэлбэр, бүтэц, тэр ч байтугай цахилгаан дамжуулж чадах эсэх талаар мэдээлэл өгөх дохио өгдөг. Электрон микроскопоор авсан олон зургийг эндээс үзэх боломжтой www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Атомын хүчний микроскоп
Нано масштабаар дүрслэх
Материалын гадаргуу нь нано масштабаар хэрхэн харагддагийг "харахын" тулд инженерүүд объектын гадаргуу хэрхэн ажилладагийг судлах олон төрлийн төхөөрөмж, системийг боловсруулсан. Та Dartmouth Electron Microscope Facility-ээс олон зургийг www.dartmouth.edu/~emlab/gallery дээрээс үзэх боломжтой.
Атомын хүчний микроскоп
Атомын хүчний микроскоп нь объектын гадаргуу дээр хүрэх эсвэл хөдөлгөхөд датчик ашиглан мэдээлэл цуглуулдаг тусгай төрлийн сканнерийн микроскоп (SPM) юм. Нарийвчлал нь маш өндөр бөгөөд нанометрийн жижиг хэсэг юм. AFM-ийг 1982 онд IBM-д зохион бүтээсэн бөгөөд 1989 онд худалдаанд гарсан анхны атомын хүчний микроскопыг нэвтрүүлсэн. AFM нь нано хэмжээст аливаа зүйлийг хэмжих, дүрслэх хамгийн чухал хэрэгслүүдийн нэг хэвээр байна. Энэ нь дээжийн гурван хэмжээст зураг эсвэл топографийг нарийвчлалтай боловсруулж чаддаг бөгөөд олон програмтай. Хэрэв та нүдээ аниад харандааны үзүүрээр хайрцагт ямар объект байсныг олж мэдэхийг төсөөлж чадвал энэ төрлийн микроскоп хэрхэн ажилладагийг төсөөлж болно! Атомын хүчний микроскопын нэг давуу тал нь тусгай орчин шаарддаггүй, дундаж орчинд, тэр ч байтугай шингэн орчинд сайн ажилладаг. Энэ нь биологийг макромолекулын түвшинд судлах эсвэл бүр амьд организмыг судлах боломжийг олгодог.
Интернетийн холболтууд
Зөвлөмж болгож буй унш
- Сканнерийн датчикийн микроскоп: Зөвлөмж дээрх лаборатори (Физикийн дэвшилтэт текстүүд) (ISBN: 978-3642077371)
- Сканнердах бичил харуур (ISBN: 978-3662452394)
Бичих үйл ажиллагаа
Нанотехнологийн дэвшил эрүүл мэнд, анагаах ухааны салбарт хэрхэн нөлөөлсөн тухай эссэ эсвэл догол мөр бичээрэй.
Сургалтын хөтөлбөрийн хүрээтэй нийцүүлэх
Тайлбар: Энэ цувралын хичээлийн төлөвлөгөө нь дараахь стандартуудын нэг буюу хэд хэдэн багцад нийцсэн болно.
- S. Шинжлэх ухааны боловсролын стандарт (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Дараагийн үеийн шинжлэх ухааны стандартууд (http://www.nextgenscience.org/)
- Олон улсын технологийн боловсролын холбооны технологийн бичиг үсгийн стандарт (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Математикийн багш нарын үндэсний зөвлөл сургуулийн математикийн зарчим, стандарт (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S. Математикийн ерөнхий үндсэн улсын стандарт (http://www.corestandards.org/Math)
- Компьютерийн шинжлэх ухааны багш нарын холбоо K-12 Компьютерийн шинжлэх ухааны стандарт (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Шинжлэх ухааны боловсролын үндэсний стандартууд K-4 анги (4-9 нас)
АГУУЛГА СТАНДАРТ А: Шинжлэх ухаан бол лавлагаа
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх сурагчид хөгжих ёстой
- Шинжлэх ухааны судалгаа хийхэд шаардлагатай чадварууд
- Шинжлэх ухааны судалгааны талаархи ойлголт
АГУУЛГА СТАНДАРТ Б: Физик шинжлэх ухаан
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд энэ талаархи ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Объект, материалын шинж чанар
- Объектуудын байрлал ба хөдөлгөөн
АГУУЛГА СТАНДАРТ Е: Шинжлэх ухаан, технологи
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх сурагчид хөгжих ёстой
- Технологийн дизайн хийх чадвар
АГУУЛГА СТАНДАРТ F: Хувь хүний болон нийгмийн хэтийн төлөв дэх шинжлэх ухаан
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Орон нутгийн сорилтуудад шинжлэх ухаан, технологи
АГУУЛГА СТАНДАРТ G: Шинжлэх ухааны түүх ба мөн чанар
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Шинжлэх ухаан бол хүний хүчин чармайлт юм
Шинжлэх ухааны боловсролын үндэсний стандартууд 5-8-р анги (10-14 нас)
АГУУЛГА СТАНДАРТ А: Шинжлэх ухаан бол лавлагаа
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх сурагчид хөгжих ёстой
- Шинжлэх ухааны судалгаа хийхэд шаардлагатай чадварууд
- Шинжлэх ухааны судалгааны талаархи ойлголт
АГУУЛГА СТАНДАРТ Б: Физик шинжлэх ухаан
Тэдний үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд энэ талаархи ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Бодисын шинж чанар ба шинж чанарын өөрчлөлт
АГУУЛГА СТАНДАРТ Е: Шинжлэх ухаан, технологи
5-8-р ангийн үйл ажиллагааны үр дүнд бүх сурагчид хөгжих ёстой
- Технологийн дизайн хийх чадвар
- Шинжлэх ухаан, технологийн талаархи ойлголт
АГУУЛГА СТАНДАРТ F: Хувь хүний болон нийгмийн хэтийн төлөв дэх шинжлэх ухаан
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Нийгэм дэх шинжлэх ухаан, технологи
Шинжлэх ухааны боловсролын үндэсний стандартууд 5-8-р анги (10-14 нас)
АГУУЛГА СТАНДАРТ G: Шинжлэх ухааны түүх ба мөн чанар
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Шинжлэх ухаан бол хүний хүчин чармайлт юм
- Шинжлэх ухааны мөн чанар
Шинжлэх ухааны боловсролын үндэсний стандартууд 9-12-р анги (14-18 нас)
АГУУЛГА СТАНДАРТ А: Шинжлэх ухаан бол лавлагаа
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх сурагчид хөгжих ёстой
- Шинжлэх ухааны судалгаа хийхэд шаардлагатай чадварууд
- Шинжлэх ухааны судалгааны талаархи ойлголт
АГУУЛГА СТАНДАРТ Б: Физик шинжлэх ухаан
Тэдний үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Бодисын бүтэц, шинж чанар
АГУУЛГА СТАНДАРТ Е: Шинжлэх ухаан, технологи
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх сурагчид хөгжих ёстой
- Технологийн дизайн хийх чадвар
- Шинжлэх ухаан, технологийн талаархи ойлголт
АГУУЛГА СТАНДАРТ F: Хувь хүний болон нийгмийн хэтийн төлөв дэх шинжлэх ухаан
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Орон нутаг, үндэсний болон дэлхийн сорилтуудад шинжлэх ухаан, технологи
АГУУЛГА СТАНДАРТ G: Шинжлэх ухааны түүх ба мөн чанар
Үйл ажиллагааны үр дүнд бүх оюутнууд ойлголтыг хөгжүүлэх ёстой
- Шинжлэх ухаан бол хүний хүчин чармайлт юм
- Шинжлэх ухааны мэдлэгийн мөн чанар
- Түүхийн хэтийн төлөв
Дараагийн үеийн шинжлэх ухааны стандарт 2-5-р анги (7-11 нас)
Ойлгож буй оюутнууд дараахь зүйлийг хийж чадна.
Материал ба түүний харилцан үйлчлэл
- 5-PS1-1. Материал нь харагдахааргүй жижиг хэсгүүдээс бүрдсэн болохыг тодорхойлох загвар боловсруул.
- 5-PS1-3. Материалыг шинж чанараас нь хамааруулан тодорхойлохын тулд ажиглалт, хэмжилт хийх.
Технологийн бичиг үсгийн стандарт - Бүх насныхан
Технологийн мөн чанар
- Стандарт 1: Оюутнууд технологийн шинж чанар, хамрах хүрээний талаархи ойлголтыг бий болгоно.
- Стандарт 2: Оюутнууд технологийн үндсэн ойлголтуудын талаархи ойлголтыг бий болгоно.
- Стандарт 3: Оюутнууд технологийн хоорондын харилцаа, технологи болон бусад судалгааны салбаруудын хоорондын холбоог ойлгох болно.
Технологи ба нийгэм
- Стандарт 4: Оюутнууд технологийн соёл, нийгэм, эдийн засаг, улс төрийн нөлөөллийн талаар ойлголттой болно.
- Стандарт 6: Оюутнууд технологийн хөгжил, хэрэглээнд нийгмийн гүйцэтгэх үүргийн тухай ойлголтыг бий болгоно.
- Стандарт 7: Оюутнууд технологийн түүхэнд үзүүлэх нөлөөний талаархи ойлголтыг бий болгоно.
Технологийн ертөнцийн чадвар
Стандарт 13: Оюутнууд бүтээгдэхүүн, системийн нөлөөллийг үнэлэх чадварыг хөгжүүлнэ.
Сканнердах микроскопоор өөрийгөө туршиж үзээрэй!
Судалгааны үе шат
Багшийн өгсөн материалыг уншина уу. Хэрэв та интернетэд холбогдох боломжтой бол энэ вэбсайтаас хичээлийг үзнэ үү: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Энэ нь сканнерийн микроскопууд хэрхэн ажилладагийг харуулах бөгөөд энэ үйл ажиллагаагаар дамжуулан ижил төстэй ажлыг хэрхэн гүйцэтгэхийг ойлгоход тань туслах болно.
Үүнийг үзээрэй!
Танай багийн оюутан бүр ээлжлэн харандааны датчик ашиглан хайрцган дахь объектын хэлбэр эсвэл таних тэмдгийг ашиглана. Та нүдээ боож, эсвэл хайрцагт юу байгааг харахгүйгээр гар, харандаа дотор байхаар хайрцагт нүх гаргаж болно.
Хайрцагны ёроолын агуулгыг эсвэл гадаргуугийн талбайг шалгахын тулд харандааны үзүүрийг ашиглана уу. Оюун ухаандаа мэдэрч буй объектын өндөр, хэлбэр, ерөнхий хэмжээг хянаж байгаарай.
Дараа нь "харсан" зүйлээ цаасан дээр зураарай - хайрцагт юу байгааг тодорхойлоход туслахын тулд дээд болон хажуугийн зургийг авч үзэхийг хүсч болно.
Багийн оюутан бүр шалгалт хийж дууссаны дараа хамт ажиллаж, хайрцагт байгаа зүйлсийнхээ талаар өөрийн зураг, санал бодлоо хуваалцаарай. Багийн хувьд зөвшилцөлд хүрч, объектын тооцоолсон хэмжилтийг багтаасан эцсийн зургийг боловсруул
Илтгэл ба эргэцүүллийн үе шат
Ангийнханд өөрийн санаа, зураг, хэмжилтээ танилцуулж, бусад багуудын илтгэлийг сонс. Бодит хэмжээ, хэлбэрийг тодорхойлохдоо танай баг эсвэл бусад багууд хэр ойрхон байсныг хараарай. Дараа нь тусгах хуудсыг бөглөнө үү.
тусгал
Дахин тусгах асуултуудыг бөглөнө үү.
- Танай баг объектыг тодорхойлохдоо хэлбэрийн хувьд хэр үнэн зөв байсан бэ? Хайрцагнаас юу олсон бэ?
- Хайрцаг дахь объектын бодит хэмжээг тодорхойлохдоо танай баг хэр үнэн зөв байсан бэ?
- Таны хайрцагт байгаа объектын бодит хэмжээнээс таны тооцоолсон үнэлгээ хэдэн хувиар буурсан бэ?
- Сорьцтой хайрцгийг “харахад” зарцуулсан хугацаа таны дүгнэлт хэр үнэн зөв болоход нөлөөлсөн гэж та бодож байна уу?
- Багаар ажиллах нь энэ төслийг хөнгөвчилсөн, хүндрүүлсэн гэж та бодож байсан уу? Яагаад?
Хичээлийн төлөвлөгөөний орчуулга