Будьте скануючим зондовим мікроскопом

Будівельні матеріали (для кожної команди)

Необхідні матеріали для занять

• Коробка з предметом, прикріпленим до низу (лінійка, паперовий стакан, цегла, шматочок фрукта)
• Зав'яжіть очі або виріжте отвір у коробці, щоб учні могли помістити руку і олівець всередину, не бачачи того, що в коробці. 

Необхідні матеріали для команд

• Папір
• Пен
• Олівець
• Доступ до Інтернету, за бажанням

Design Challenge

Ви - команда інженерів, яким поставлено завдання використати олівцевий зонд, щоб «відчути» два різні об’єкти всередині коробки (не бачачи об’єктів). Далі ви намалюєте те, що «побачили», і разом з командою домовитесь про те, яким може бути об’єкт у коробці. Потім команди розробляють детальний малюнок із зображенням об’єкта, щодо якого ви домовились.

Критерії

• Потрібно використовувати олівець, щоб «намацати» предмети.
• Не повинен бути в змозі бачити предмети (або пов'язку на очах, або отвір, вирізаний у коробці, щоб вмістити руку і олівець)

Обмеження

• Використовуйте лише надані матеріали.

Необхідний час: Один -два 45 -хвилинні заняття.

1. Розбийте клас на команди 2-4.
2. Роздайте аркуш Be the Scanning Probe Microscope Microscope.
3. Обговоріть теми у розділі «Основні поняття». Попросіть студентів подумати, як інженери вимірюють поверхню речей, які занадто малі, щоб їх можна було бачити. Якщо є доступ до Інтернету, поділіться віртуальним мікроскопом (http://virtual.itg.uiuc.edu).
4. Ознайомтеся з процесом інженерного проектування, викликом проекту, критеріями, обмеженнями та матеріалами.
5. Надайте кожній команді свої матеріали.
6. Поясніть, що студенти повинні використовувати олівець, щоб «намацати» два різні предмети всередині коробки (із зав'язаними очима). Далі вони намалюють те, що «побачили», і разом з командою домовляться про те, яким може бути об’єкт у коробці. Нарешті, команди розробляють детальний малюнок із зображенням об’єкта, про який вони домовились.
7. Оголосіть кількість часу, який вони мають на завершення діяльності (рекомендовано 1 годину).
8. Використовуйте таймер або онлайн секундомір (функція зворотного відліку), щоб забезпечити своєчасне виконання. (www.online-stopwatch.com/full-screen-stopwatch). Давайте студентам регулярні «перевірки часу», щоб вони продовжували виконувати завдання. Якщо вони борються, задайте питання, які приведуть їх до рішення швидше.
9. Попросіть учнів зробити наступне:
   • Кожен учень у команді по черзі використовує олівець, щоб визначити форму для ідентифікації предметів у коробці. Ви можете або зав’язати очі, або вирізати отвір у коробці, щоб ваша рука та олівець могли опинитися всередині, не бачачи того, що в коробці.
   • Використовуйте лише кінчик олівця, щоб вивчити вміст або площу поверхні дна коробки.
   • У вашому розумі відстежуйте висоту об’єктів, які відчуваєте, їх форму та загальний розмір.
   • Далі намалюйте те, що ви «побачили» на аркуші паперу - можливо, вам захочеться розглянути вид зверху і збоку, щоб визначити, що в коробці.
   • Коли кожен учень у команді проведе дослідження, попрацюйте разом і поділіться своїми малюнками та думками щодо того, що є у коробці. Створіть консенсус як команда і розробіть остаточний креслення, яке включає приблизні виміри об’єкта.
10. Команди представляють класу ваші ідеї, креслення та виміри та слухають презентації інших команд. Вони повинні порівняти, наскільки їхня команда була близькою до визначення фактичного розміру та форми.
11. Під час занять обговоріть запитання студентів щодо роздумів.
12. Щоб отримати додатковий зміст по цій темі, дивіться розділ “Копати глибше”.

Необов’язкове розширення

Попросіть учнів дзеркально відобразити те, що вони «відчувають» у коробці однією рукою, одночасно малюючи іншою рукою на папері.

Роздуми студентів (інженерний зошит)

1. Наскільки форма була точною у визначенні об’єкта вашою командою? Що ви знайшли в коробці?
2. Наскільки ваша команда точно визначила фактичний розмір об’єкта у коробці?
3. На скільки відсотків ваша оцінка розміру відійшла від фактичного розміру об’єкта у коробці?
4. Як ви вважаєте, чи час, який вам знадобився, щоб «побачити» всередині коробки із зондом, вплинуло на те, наскільки точні були ваші результати?
5. Ви думали, що робота в команді спростила або ускладнила цей проект? Чому?

Урок можна зробити лише за 1 клас для старших учнів. Однак, щоб допомогти студентам почуватися поспішно і забезпечити успіх студентів (особливо для молодших школярів), розділіть урок на два періоди, що дає студентам більше часу на мозковий штурм, перевірку ідей та доопрацювання їх дизайну. Проведіть тестування та опис у наступному класі.

Що таке нанотехнологія?

Уявіть, що ви можете спостерігати за рухом еритроцита, який рухається по вашій вені. Як би було спостерігати атоми натрію і хлору, коли вони наближаються достатньо близько, щоб фактично переносити електрони і утворювати кристал солі, або спостерігати вібрацію молекул під час підвищення температури у каструлі з водою? Завдяки інструментам або «сферам застосування», які були розроблені та вдосконалені за останні кілька десятиліть, ми можемо спостерігати ситуації, подібні до багатьох прикладів на початку цього параграфа. Ця здатність спостерігати, вимірювати і навіть маніпулювати матеріалами в молекулярному чи атомному масштабах називається нанотехнологією або нанонаукою. Якщо у нас є нано «щось», у нас є одна мільярдна частка цього. Вчені та інженери застосовують префікс нано до багатьох «чогось», включаючи довжину метрів), секунди (час), літри (об'єм) та грами (маса), щоб представити те, що, зрозуміло, є дуже малою кількістю. Найчастіше нано наноситься на шкалу довжини, і ми вимірюємо і говоримо про нанометри (нм). Окремі атоми мають діаметр менше 1 нм, при цьому він займає близько 10 атомів водню поспіль, щоб створити лінію довжиною 1 нм. Інші атоми більші за водень, але все ж мають діаметри менше нанометра. Типовий вірус має діаметр близько 100 нм, а бактерія - приблизно 1000 нм від голови до хвоста. Інструменти, які дозволили нам спостерігати за невидимим раніше світом наномасштабу, - це мікроскоп атомної сили та скануючий електронний мікроскоп.

Наскільки великий маленький?

Важко уявити, наскільки дрібними є речі на наномасштабі. Наступна вправа може допомогти вам уявити, наскільки великим може бути маленький! Розглянемо м'яч для боулінгу, більярдний м'яч, тенісний м'яч, м'яч для гольфу, мармур та горошину. Подумайте про відносний розмір цих предметів.

Скануючий електронний мікроскоп

Скануючий електронний мікроскоп - це особливий тип електронного мікроскопа, який створює зображення поверхні зразка, скануючи його за допомогою енергетичного пучка електронів за растровим малюнком. Під час растрового сканування зображення розрізається на послідовність (зазвичай горизонтальних) смуг, відомих як «лінії сканування». Електрони взаємодіють з атомами, що складають зразок, і виробляють сигнали, що забезпечують дані про форму, склад поверхні та навіть про те, чи може вона проводити електрику. Багато зображень, зроблених за допомогою скануючих електронних мікроскопів, можна переглянути за адресою www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Мікроскопи атомної сили

Зображення за нано шкалою

Щоб «побачити», як виглядає поверхня матеріалів у наномасштабі, інженери розробили цілий ряд пристроїв та систем, щоб дослідити, як поводиться поверхня об’єкта. Ви можете переглянути безліч зображень у Дартмутському електронному мікроскопічному закладі за адресою www.dartmouth.edu/~emlab/gallery.

Мікроскопи атомної сили

Мікроскоп з атомною силою - це спеціальний тип скануючого зондового мікроскопа (SPM), який збирає інформацію за допомогою зонда для дотику або переміщення по поверхні предмета. Роздільна здатність дуже висока, на частку нанометра. AFM був винайдений у 1982 році в IBM, а перший комерційно доступний атомно -силовий мікроскоп був представлений у 1989 році. AFM залишається одним з найважливіших інструментів для вимірювання та зображення будь -чого на нанорозмірі. Він може досить точно розробити тривимірне зображення або рельєф зразка і має багато застосувань. Якщо ви можете уявити, що ви закриваєте очі і за допомогою кінчика олівця з’ясовуєте, який предмет був у коробці, ви можете уявити, як працює цей тип мікроскопа! Однією з переваг атомно -силового мікроскопа є те, що він не вимагає особливого оточення і добре працює в середньому середовищі або навіть у рідкому середовищі. Це дає можливість досліджувати біологію на рівні макромолекул або навіть переглядати живі організми.

Інтернет-з'єднання

• Атомно -силова мікроскопія
• Віртуальний мікроскоп

Рекомендована література

• Скануюча зондова мікроскопія: Лабораторія на кінчику (Додаткові тексти у фізиці) (ISBN: 978-3642077371)
• Скануюча зондова мікроскопія (ISBN: 978-3662452394)

Письмова діяльність

Напишіть есе або параграф про те, як прогрес нанотехнологій вплинув на сферу охорони здоров’я та медицини.

Вирівнювання навчальних програм

Примітка: Плани уроків у цій серії узгоджуються з одним або кількома з наступних наборів стандартів:

• С. Стандарти наукової освіти (http://www.nap.edu/catalog.php?record_id=4962)
• S. Наукові стандарти наступного покоління (http://www.nextgenscience.org/)
• Стандарти Міжнародної асоціації технологічної освіти щодо технологічної грамотності (http://www.iteea.org/TAA/PDFs/xstnd.pdf)
• С. Принципи та стандарти шкільної математики Національної ради вчителів математики (http://www.nctm.org/standards/content.aspx?id=16909)
• С. Загальні основні державні стандарти з математики (http://www.corestandards.org/Math)
• Асоціація викладачів інформатики K-12 Стандарти комп'ютерних наук (http://csta.acm.org/Curriculum/sub/K12Standards.html)

Національні стандарти наукової освіти Класи K-4 (віком 4-9)

ЗМІСТ СТАНДАРТ А: Наука як запит

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здатності, необхідні для наукового дослідження
• Розуміння наукового дослідження

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Властивості предметів та матеріалів
• Положення та рух предметів

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування

ЗМІСТ СТАНДАРТ F: Наука в особистих та соціальних перспективах

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука і технології в місцевих викликах

ЗМІСТ СТАНДАРТ G: Історія та природа науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука як зусилля людини

Національні стандарти наукової освіти 5-8 класи (10-14 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ А: Наука як запит

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здатності, необхідні для наукового дослідження
• Розуміння щодо наукового дослідження

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Властивості та зміни властивостей речовини

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності в 5-8 класах всі учні повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування
• Розуміння про науку і техніку

ЗМІСТ СТАНДАРТ F: Наука в особистих та соціальних перспективах

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука і техніка в суспільстві 

Національні стандарти наукової освіти 5-8 класи (10-14 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ G: Історія та природа науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука як зусилля людини
• Природа науки

Національні стандарти наукової освіти 9-12 класи (14-18 років)

ЗМІСТ СТАНДАРТ А: Наука як запит

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здатності, необхідні для наукового дослідження
• Розуміння щодо наукового дослідження

ЗМІСТ СТАНДАРТ B: Фізичні науки

В результаті своєї діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Будова та властивості речовини

ЗМІСТ СТАНДАРТ E: Наука і техніка

В результаті діяльності всі студенти повинні розвиватися

• Здібності технологічного проектування
• Розуміння про науку і техніку

ЗМІСТ СТАНДАРТ F: Наука в особистих та соціальних перспективах

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука та технології у місцевих, національних та глобальних викликах

ЗМІСТ СТАНДАРТ G: Історія та природа науки

В результаті діяльності всі студенти повинні розвинути розуміння

• Наука як зусилля людини
• Природа наукових знань
• Історичні перспективи

 Наукові стандарти наступного покоління 2-5 класи (віки 7-11)

Студенти, які демонструють розуміння, можуть:

Матерія та її взаємодія

• 5-ПС1-1. Розробити модель, щоб описати, що речовина складається з занадто малих частинок, щоб їх можна було побачити.
• 5-PS1-3. Зробіть спостереження та виміри, щоб визначити матеріали на основі їх властивостей. 

Стандарти технологічної грамотності - всі віки 

Природа технологій

• Стандарт 1: Студенти розвинуть розуміння характеристик та обсягу технології.
• Стандарт 2: Студенти розвинуть розуміння основних понять технології.
• Стандарт 3: Студенти розвинуть розуміння взаємозв’язків між технологіями та зв’язків між технологіями та іншими галузями дослідження. 

Технологія та суспільство

• Стандарт 4: Студенти розвинуть розуміння культурних, соціальних, економічних та політичних наслідків технології.
• Стандарт 6: Студенти розвинуть розуміння ролі суспільства у розвитку та використанні технологій.
• Стандарт 7: Студенти розвинуть розуміння впливу технології на історію.

Здібності для технологічного світу

Стандарт 13: Студенти розвиватимуть здібності оцінювати вплив продуктів та систем.

Спробуйте себе в ролі скануючого зондового мікроскопа!

Етап дослідження

Прочитайте матеріали, надані вам учителем. Якщо у вас є доступ до Інтернету, також перегляньте підручник на цьому веб -сайті: http://virtual.itg.uiuc.edu/training/AFM_tutorial/. Він проілюструє, як працюють скануючі зондові мікроскопи, і допоможе вам зрозуміти, як ви виконаєте подібне завдання за допомогою цієї дії.

Спробуй!

Кожен учень у вашій команді по черзі використовуватиме олівець, щоб визначити форму або ідентифікувати предмет у коробці. Ви можете або зав’язати очі, або вирізати отвір у коробці, щоб ваша рука та олівець могли опинитися всередині, не бачачи того, що в коробці.

Використовуйте лише кінчик олівця, щоб вивчити вміст або площу поверхні дна коробки. У вашому розумі відстежуйте висоту об’єктів, які відчуваєте, їх форму та загальний розмір.

Далі намалюйте те, що ви «побачили» на аркуші паперу - можливо, вам захочеться розглянути вид зверху і збоку, щоб визначити, що в коробці.

Коли кожен учень у команді проведе дослідження, попрацюйте разом і поділіться своїми малюнками та думками щодо того, що є у коробці. Створіть консенсус як команда і розробіть остаточний креслення, яке включає приблизні виміри об’єкта

Презентація та фаза роздумів

Представте класу свої ідеї, креслення та виміри та послухайте презентації інших команд. Подивіться, наскільки тісна була ваша команда чи інші команди, визначаючи фактичний розмір та форму. Потім заповніть аркуш відображення.

Відображення

Заповніть запитання для роздумів нижче:

1. Наскільки форма була точною у визначенні об’єкта вашою командою? Що ви знайшли в коробці?

2. Наскільки ваша команда точно визначила фактичний розмір об’єкта у коробці?

3. На скільки відсотків ваша оцінка розміру відійшла від фактичного розміру об’єкта у коробці?

4. Як ви вважаєте, чи час, який вам знадобився, щоб «побачити» всередині коробки із зондом, вплинуло на те, наскільки точні були ваші результати?

5. Ви думали, що робота в команді спростила або ускладнила цей проект? Чому?