Tarama Sondası Mikroskobu Olun
Bu ders, bu mikroskopların nano düzeyde malzemelerin yüzeyini nasıl ölçtüğünü araştırıyor. Öğrenciler, Tarama Sondası Mikroskopları (SPM'ler) hakkında bilgi edinmek için ekipler halinde çalışır ve ardından göremedikleri nesnelerin şeklini görsel olarak hissetmek için bir kalem kullanırlar. Kalemle dokunma hissine dayanarak, öğrenciler SPM'nin işlevini taklit eder. Akıllarının “gördüğünü” çizerler.
- Nanoteknoloji hakkında bilgi edinin.
- Prob mikroskoplarını tarama hakkında bilgi edinin.
- Mühendisliğin toplumun zorluklarını çözmede nasıl yardımcı olabileceğini öğrenin.
Yaş seviyeleri: 8-12
Materyal Oluşturma (Her ekip için)
Sınıf için Gerekli Malzemeler
- Altına yapıştırılmış eşya içeren kutu (cetvel, kağıt bardak, tuğla, meyve parçası)
- Gözlerini bağla veya kutunun içine bir delik aç, böylece öğrenciler kutunun içinde ne olduğunu görmeden ellerini ve bir kalemi içine sığdırabilirler.
Ekipler için Gerekli Malzemeler
- kâğıt
- Kalem
- Kalem
- İnternete erişim, isteğe bağlı
Tasarım Yarışması
Bir kutunun içindeki iki farklı nesneyi (nesneleri görmeden) “hissetmek” için bir kalem sonda kullanmanın zorluğunu yaşayan bir mühendis ekibisiniz. Ardından, “gördüklerinizi” çizeceksiniz ve ekip olarak kutudaki nesnenin ne olabileceği konusunda anlaşacaksınız. Ardından ekipler, üzerinde anlaştığınız nesneyi gösteren ayrıntılı bir çizim geliştirir.
Kriterler
- Nesneleri “hissetmek” için bir kalem kullanmalıdır.
- Nesneleri görememelidir (bir el ve kalem sığdırmak için kutuda bir göz bağı veya delik açılmış)
Kısıtlamalar
- Yalnızca sağlanan malzemeleri kullanın.
Gerekli Süre: Bir ila iki 45 dakikalık seans.
- Sınıfı 2-4 kişilik takımlara ayırın.
- Tarama Sondası Mikroskobu Olun çalışma sayfasını dağıtın.
- Arka Plan Kavramları Bölümündeki konuları tartışın. Öğrencilerden, mühendislerin görmek için çok küçük olan şeylerin yüzeyini nasıl ölçtüğünü düşünmelerini isteyin. İnternet varsa Sanal Mikroskobu paylaşın (http://virtual.itg.uiuc.edu).
- Mühendislik Tasarım Sürecini, Tasarım Zorluğunu, Kriterleri, Kısıtlamaları ve Malzemeleri gözden geçirin.
- Her takıma malzemelerini sağlayın.
- Öğrencilerin bir kutunun içindeki (gözleri bağlı) iki farklı nesneyi “hissetmek” için kurşun kalem kullanmaları gerektiğini açıklayın. Ardından, “gördüklerini” çizecekler ve ekip olarak kutudaki nesnenin ne olabileceği konusunda anlaşacaklar. Son olarak, ekipler üzerinde anlaştıkları nesneyi gösteren ayrıntılı bir çizim geliştirirler.
- Aktiviteyi tamamlamaları için gereken süreyi duyurun (1 saat önerilir).
- Zamanında kalmanızı sağlamak için bir zamanlayıcı veya çevrimiçi bir kronometre (geri sayım özelliği) kullanın. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Öğrencilere, görevde kalmaları için düzenli "zaman kontrolleri" verin. Mücadele ediyorlarsa, onları daha hızlı çözüme götürecek sorular sorun.
- Öğrencilere aşağıdakileri yapmalarını söyleyin:
- Takımdaki her öğrenci, bir kutudaki nesneleri tanımlamak için şekli belirlemek için kurşun kalem sondası kullanarak sırayla alır. Ya gözleriniz bağlanabilir ya da kutuda ne olduğunu görmeden eliniz ve kaleminiz içeri girebilsin diye bir kutuya bir delik açabilirsiniz.
- Kutunun altındaki içeriği veya yüzey alanını incelemek için kalemin sadece ucunu kullanın.
- Zihninizde, algıladığınız nesnelerin yüksekliğini, şeklini ve toplam boyutunu takip edin.
- Ardından, "gördüklerinizi" bir kağıda çizin - kutuda ne olduğunu belirlemenize yardımcı olması için üstten ve yandan bir görünüm düşünebilirsiniz.
- Takımdaki her öğrenci araştırmayı bitirdiğinde, birlikte çalışın ve çizimlerinizi ve kutuda ne olduğuna dair görüşlerinizi paylaşın. Ekip olarak bir fikir birliğine varın ve nesnenin tahmini ölçümlerini içeren son bir çizim geliştirin.
- Takımlar fikirlerinizi, çizimlerinizi ve ölçülerinizi sınıfa sunar ve diğer takımların sunumlarını dinler. Takımlarının gerçek boyutu ve şekli belirlemede ne kadar yakın olduğunu karşılaştırmalılar.
- Sınıf olarak, öğrenci yansıtma sorularını tartışın.
- Konuyla ilgili daha fazla içerik için "Daha Derin Kazma" bölümüne bakın.
İsteğe Bağlı Uzatma Etkinliği
Öğrencilere bir elleriyle kutuda “hissettiklerini”, diğer elleriyle aynı anda kağıda çizerek yansıtmalarını sağlayın.
Öğrenci Yansıması (mühendislik defteri)
- Ekibiniz nesneyi tanımlamada şekil açısından ne kadar doğruydu? Kutuda ne buldun?
- Takımınız kutudaki nesnenin gerçek boyutunu belirlemede ne kadar doğruydu?
- Boyut tahmininiz, kutudaki nesnenin gerçek boyutundan yüzde kaç çıktı?
- Sondayla kutunun içini “görmek” için harcadığınız sürenin bulgularınızın ne kadar doğru olduğunu etkilediğini düşünüyor musunuz?
- Ekip olarak çalışmanın bu projeyi kolaylaştırdığını mı yoksa zorlaştırdığını mı düşündün? Neden?
Zaman Değişikliği
Ders, daha büyük öğrenciler için 1 ders dönemi kadar kısa bir sürede yapılabilir. Bununla birlikte, öğrencilerin acele hissetmelerine yardımcı olmak ve öğrenci başarısını sağlamak için (özellikle daha genç öğrenciler için) dersi iki döneme ayırın, öğrencilere beyin fırtınası yapmaları, fikirleri test etmeleri ve tasarımlarını tamamlamaları için daha fazla zaman verin. Bir sonraki sınıf döneminde testi ve sorgulamayı gerçekleştirin.
Nanoteknoloji nedir?
Damarınızda hareket eden bir kırmızı kan hücresinin hareketini gözlemleyebildiğinizi hayal edin. Sodyum ve klor atomlarını elektronları gerçekten transfer edip bir tuz kristali oluşturacak kadar yaklaştıklarında veya bir tava su içinde sıcaklık arttıkça moleküllerin titreşimini gözlemlemek nasıl olurdu? Son birkaç on yılda geliştirilmiş ve geliştirilmiş araçlar veya 'kapsamlar' nedeniyle, bu paragrafın başındaki birçok örnek gibi durumları gözlemleyebiliriz. Malzemeleri moleküler veya atomik ölçekte gözlemleme, ölçme ve hatta manipüle etme yeteneğine nanoteknoloji veya nanobilim denir. Eğer bir nano "bir şeye" sahipsek, o şeyin milyarda birine sahibiz. Bilim adamları ve mühendisler, nano önekini, anlaşılır bir şekilde çok küçük bir miktarı temsil etmek için metre uzunluk), saniye (zaman), litre (hacim) ve gram (kütle) dahil olmak üzere birçok “bir şeye” uygularlar. Çoğu zaman nano, uzunluk ölçeğine uygulanır ve biz nanometreleri (nm) ölçer ve konuşuruz. Tek tek atomların çapı 1 nm'den küçüktür ve 10 nm uzunluğunda bir çizgi oluşturmak için arka arkaya yaklaşık 1 hidrojen atomu gerekir. Diğer atomlar hidrojenden daha büyüktür, ancak yine de bir nanometreden daha küçük çaplara sahiptir. Tipik bir virüsün çapı yaklaşık 100 nm'dir ve bir bakteri yaklaşık 1000 nm'dir. Nano ölçeğin daha önce görünmez olan dünyasını gözlemlememizi sağlayan araçlar Atomik Kuvvet Mikroskobu ve Taramalı Elektron Mikroskobudur.
Küçük Ne Kadar Büyük?
Nano ölçekte şeylerin ne kadar küçük olduğunu hayal etmek zor olabilir. Aşağıdaki alıştırma ne kadar büyük küçük olabileceğini gözünüzde canlandırmanıza yardımcı olabilir! Bir bowling topu, bir bilardo topu, bir tenis topu, bir golf topu, bir mermer ve bir bezelye düşünün. Bu öğelerin göreceli boyutunu düşünün.
Taramalı elektron mikroskobu
Taramalı elektron mikroskobu, bir raster tarama modelinde yüksek enerjili bir elektron ışınıyla tarayarak bir numune yüzeyinin görüntülerini oluşturan özel bir elektron mikroskobu türüdür. Bir raster taramada, bir görüntü "tarama çizgileri" olarak bilinen bir dizi (genellikle yatay) şerit halinde kesilir. Elektronlar, numuneyi oluşturan atomlarla etkileşime girer ve yüzeyin şekli, bileşimi ve hatta elektriği iletip iletemeyeceği hakkında veri sağlayan sinyaller üretir. Taramalı elektron mikroskobu ile alınan birçok görüntü, www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.
Atomik Kuvvet Mikroskopları
Nano Ölçekte Görüntüleme
Malzeme yüzeyinin nano ölçekte nasıl göründüğünü "görmek" için mühendisler, bir nesnenin yüzeyinin nasıl davrandığını keşfetmek için bir dizi cihaz ve sistem geliştirdiler. www.dartmouth.edu/~emlab/gallery adresindeki Dartmouth Elektron Mikroskop Tesisinde çok sayıda görüntü görebilirsiniz.
Atomik Kuvvet Mikroskopları
Atomik Kuvvet Mikroskobu, bir nesnenin yüzeyine dokunmak veya üzerinde hareket etmek için bir sonda kullanarak bilgi toplayan özel bir taramalı sonda mikroskobu (SPM) türüdür. Çözünürlük, bir nanometrenin çok küçük bir bölümünde çok yüksektir. AFM 1982'de IBM'de icat edildi ve ticari olarak mevcut ilk atomik kuvvet mikroskobu 1989'da tanıtıldı. AFM, nano ölçekte herhangi bir şeyi ölçmek ve görüntülemek için en önemli araçlardan biri olmaya devam ediyor. Bir örneğin üç boyutlu resmini veya topografisini oldukça doğru bir şekilde geliştirebilir ve birçok uygulamaya sahiptir. Gözlerinizi kapattığınızı ve bir kutuda hangi nesnenin olduğunu anlamak için bir kalemin ucunu kullandığınızı hayal edebiliyorsanız, bu tür bir mikroskobun nasıl çalıştığını hayal edebilirsiniz! Atomik Kuvvet Mikroskobunun bir avantajı, özel bir ortam gerektirmemesi ve ortalama bir ortamda, hatta sıvıda bile iyi çalışmasıdır. Bu, biyolojiyi makromolekül düzeyinde keşfetmeyi ve hatta canlı organizmaları incelemeyi mümkün kılar.
İnternet Bağlantıları
Önerilen Kaynaklar
- Tarama Sondası Mikroskopisi: Bir Uç Üzerindeki Laboratuvar (Fizikte İleri Düzey Metinler) (ISBN: 978-3642077371)
- Tarama Probu Mikroskobu (ISBN: 978-3662452394)
Yazma aktivitesi
Nanoteknolojideki ilerlemelerin sağlık ve tıp alanını nasıl etkilediği hakkında bir makale veya paragraf yazın.
Müfredat Çerçevelerine Uyum
Not: Bu serideki ders planları, aşağıdaki standartlardan bir veya daha fazlasıyla uyumludur:
- S. Fen Bilimleri Eğitimi Standartları (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
- S. Yeni Nesil Bilim Standartları (http://www.nextgenscience.org/)
- Uluslararası Teknoloji Eğitimi Derneği'nin Teknolojik Okuryazarlık Standartları (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
- S. Ulusal Matematik Öğretmenleri Konseyi'nin Okul Matematiği İlkeleri ve Standartları (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
- S.Matematik için Ortak Çekirdek Eyalet Standartları (http://www.corestandards.org/Math)
- Bilgisayar Bilimleri Öğretmenleri Derneği K-12 Bilgisayar Bilimleri Standartları (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)
Ulusal Bilim Eğitimi Standartları K-4 Sınıfları (4-9 yaş)
İÇERİK STANDART A: Araştırma Olarak Bilim
Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir
- Bilimsel araştırma yapmak için gerekli yetenekler
- Bilimsel sorgulamayı anlama
İÇERİK STANDART B: Fiziksel Bilimler
Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler bir anlayış geliştirmelidir.
- Nesnelerin ve malzemelerin özellikleri
- Nesnelerin konumu ve hareketi
İÇERİK STANDART E: Bilim ve Teknoloji
Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir
- Teknolojik tasarım yetenekleri
İÇERİK STANDART F: Kişisel ve Sosyal Perspektiflerde Bilim
Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,
- Yerel zorluklarda bilim ve teknoloji
İÇERİK STANDART G: Bilimin Tarihi ve Doğası
Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,
- Bir insan çabası olarak bilim
Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 5-8. Sınıflar (10-14 yaş)
İÇERİK STANDART A: Araştırma Olarak Bilim
Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir
- Bilimsel araştırma yapmak için gerekli yetenekler
- Bilimsel sorgulama ile ilgili anlayışlar
İÇERİK STANDART B: Fiziksel Bilimler
Faaliyetlerinin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler bir anlayış geliştirmelidir.
- Maddedeki özelliklerin özellikleri ve değişiklikleri
İÇERİK STANDART E: Bilim ve Teknoloji
5-8. Sınıflardaki aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir.
- Teknolojik tasarım yetenekleri
- Bilim ve teknoloji ile ilgili anlayışlar
İÇERİK STANDART F: Kişisel ve Sosyal Perspektiflerde Bilim
Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,
- Toplumda bilim ve teknoloji
Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 5-8. Sınıflar (10-14 yaş)
İÇERİK STANDART G: Bilimin Tarihi ve Doğası
Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,
- Bir insan çabası olarak bilim
- Bilimin doğası
Ulusal Bilim Eğitimi Standartları 9-12. Sınıflar (14-18 yaş)
İÇERİK STANDART A: Araştırma Olarak Bilim
Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir
- Bilimsel araştırma yapmak için gerekli yetenekler
- Bilimsel sorgulama ile ilgili anlayışlar
İÇERİK STANDART B: Fiziksel Bilimler
Faaliyetlerinin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,
- Maddenin yapısı ve özellikleri
İÇERİK STANDART E: Bilim ve Teknoloji
Aktiviteler sonucunda tüm öğrenciler gelişmelidir
- Teknolojik tasarım yetenekleri
- Bilim ve teknoloji ile ilgili anlayışlar
İÇERİK STANDART F: Kişisel ve Sosyal Perspektiflerde Bilim
Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,
- Yerel, ulusal ve küresel zorluklarda bilim ve teknoloji
İÇERİK STANDART G: Bilimin Tarihi ve Doğası
Aktivitelerin bir sonucu olarak, tüm öğrenciler,
- Bir insan çabası olarak bilim
- Bilimsel bilginin doğası
- Tarihsel bakış açıları
Yeni Nesil Bilim Standartları 2-5. Sınıflar (7-11 Yaş)
Anladıklarını gösteren öğrenciler şunları yapabilir:
Madde ve Etkileşimleri
- 5-PS1-1. Maddenin görülemeyecek kadar küçük parçacıklardan oluştuğunu açıklamak için bir model geliştirin.
- 5-PS1-3. Malzemeleri özelliklerine göre tanımlamak için gözlemler ve ölçümler yapın.
Teknolojik Okuryazarlık Standartları - Tüm Yaşlar
Teknolojinin Doğası
- Standart 1: Öğrenciler teknolojinin özellikleri ve kapsamı hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.
- Standart 2: Öğrenciler teknolojinin temel kavramları hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.
- Standart 3: Öğrenciler, teknolojiler arasındaki ilişkiler ve teknoloji ile diğer çalışma alanları arasındaki bağlantılar hakkında bir anlayış geliştireceklerdir.
Teknoloji ve Toplum
- Standart 4: Öğrenciler teknolojinin kültürel, sosyal, ekonomik ve politik etkilerine ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.
- Standart 6: Öğrenciler, teknolojinin geliştirilmesi ve kullanımında toplumun rolüne ilişkin bir anlayış geliştireceklerdir.
- Standart 7: Öğrenciler teknolojinin tarih üzerindeki etkisine dair bir anlayış geliştirecekler.
Teknolojik Bir Dünya İçin Yetenekler
Standart 13: Öğrenciler, ürünlerin ve sistemlerin etkisini değerlendirme becerilerini geliştireceklerdir.
Elinizi bir Tarama Sondası Mikroskobu olmayı deneyin!
Araştırma Aşaması
Öğretmeniniz tarafından size verilen materyalleri okuyun. İnternet erişiminiz varsa, bu web sitesindeki öğreticiyi de görüntüleyin: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Taramalı sonda mikroskoplarının nasıl çalıştığını gösterecek ve bu aktivite ile benzer bir görevi nasıl gerçekleştireceğinizi anlamanıza yardımcı olacaktır.
Denemek!
Takımınızdaki her öğrenci, bir kutudaki bir nesnenin şeklini veya kimliğini belirlemek için kurşun kalem sondası kullanarak sırayla olacaktır. Ya gözleriniz bağlanabilir ya da kutuda ne olduğunu görmeden eliniz ve kaleminiz içeri girebilsin diye bir kutuya bir delik açabilirsiniz.
Kutunun altındaki içeriği veya yüzey alanını incelemek için kalemin sadece ucunu kullanın. Zihninizde, algıladığınız nesnelerin yüksekliğini, şeklini ve toplam boyutunu takip edin.
Ardından, "gördüklerinizi" bir kağıda çizin - kutuda ne olduğunu belirlemenize yardımcı olması için üstten ve yandan bir görünüm düşünebilirsiniz.
Takımdaki her öğrenci araştırmayı bitirdiğinde, birlikte çalışın ve çizimlerinizi ve kutuda ne olduğuna dair görüşlerinizi paylaşın. Ekip olarak bir fikir birliğine varın ve nesnenin tahmini ölçümlerini içeren son bir çizim geliştirin
Sunum ve Düşünme Aşaması
Fikirlerinizi, çizimlerinizi ve ölçülerinizi sınıfa sunun ve diğer takımların sunumlarını dinleyin. Gerçek boyutu ve şekli belirlemede ekibinizin veya diğer ekiplerin ne kadar yakın olduğunu görün. Ardından yansıma sayfasını tamamlayın.
yansıma
Aşağıdaki yansıtma sorularını tamamlayın:
- Ekibiniz nesneyi tanımlamada şekil açısından ne kadar doğruydu? Kutuda ne buldun?
- Takımınız kutudaki nesnenin gerçek boyutunu belirlemede ne kadar doğruydu?
- Boyut tahmininiz, kutudaki nesnenin gerçek boyutundan yüzde kaç çıktı?
- Sondayla kutunun içini “görmek” için harcadığınız sürenin bulgularınızın ne kadar doğru olduğunu etkilediğini düşünüyor musunuz?
- Ekip olarak çalışmanın bu projeyi kolaylaştırdığını mı yoksa zorlaştırdığını mı düşündün? Neden?
Ders Planı Tercümesi