Открытый урок по теме «Неземная красота

Урок физики 10 класс .
Автор: Викторова Ольга Ивановна, Муниципальное автономное общеобразовательное
учреждение лицей №27, г. Ростов-на-Дону, учитель физики высшей категории.
Предмет: физика.
Класс: 10.
УМК: С.А.Тихомирова, Б.М.Яворский, Мнемозина, Москва- 2012.
Тема урока: Неземная
















красота нано-технологий.
Тип урока: информационно-развивающий.
Цели урока:
обучающаязакрепить понятия: «кристаллическое тело», «кристаллическая решетка», «монокристалл»,
«поликристалл», «аморфное тело»;
развивающаяразвивать умения выделять главное;
развивать умение систематизировать материал;
развивать познавательный интерес к предмету, используя разнообразные формы работы;
воспитательная
воспитывать научное мировоззрение;
воспитывать чувство прекрасного
Задачи:
Показать тесную связь между искусством и наукой
Оборудование:
мультимедиа-проектор, экран, доклад, презентация.
демонстрационное оборудование – модели кристаллических решеток, образцы
кристаллов
слюды, кварца, горного хрусталя, топаза.
лабораторное оборудование – нано-микроскоп Наноэдьюкатор 2, сканы образцов
веществ –
соль, сахар, сахарный леденец, графит,кварц.
Учащиеся владеют:
регулятивными УУД:
преобразовывать практическую задачу в учебно-познавательную совместными усилиями ;
познавательными УУД:
определять способы решения проблем под руководством учителя ;
выдвигать гипотезы и выстраивать стратегию поиска под руководством учителя ;
формулировать новые знания совместными усилиями ;
коммуникативными УУД:
участвовать в коллективном обсуждении проблем;
личностными УУД:
проявляют ситуативный познавательный интерес к новому учебному материалу.
Методы обучения:
Словесный (объяснение учителя и учащихся)
Наглядный (видео)
Практический (опытное исследование – наблюдение процесса сканирования поверхности с
помощью нано-микроскопа)
План урока:
1.Орг. момент
2.Актуализация и мотивация знаний (повторение)
3.Презентация (работа учащихся)
4.Обсуждение
5.Подведение итогов. Домашнее задание
6. Рефлексия
Ход урока:
Учитель:
Согласитесь! Мир удивителен и многообразен. Человек издавна пытался объяснить
необъяснимое, увидеть невидимое, услышать неслышимое. Оглядываясь вокруг себя, он
размышлял о природе и пытался решить загадки, которые она перед ним ставила.
Мы с вами подошли к завершающему моменту изучения темы «Кристаллические и аморфные
тела». Вы познакомились с внутренним строение м твердых и аморфных тел, можете указать
различие в структуре кристаллических решеток данных тел. Давайте вместе вспомним различия
в свойствах данных тел. (на доске заготовлена таблица-заполняется совместно с учащимися)
Свойства кристаллических тел.
Свойства аморфных тел.
1.Температура плавления постоянна.
1. Не имеют постоянной температуры
плавления.
2.Имеют кристаллическую решетку
2. Не имеют кристаллического строения.
Типы кристаллов
3. Изотропны.
а) ионные;
4. Обладают текучестью.
б) атомные;
в) металлические;
г) молекулярные.
5. Имеют только «ближний порядок» в
расположении частиц.
6. Способны переходить в кристаллическое и
жидкое состояние.
3.Каждое вещество имеет свою температуру
плавления.
4.Анизотропны (механическая прочность,
оптические, электрические, тепловые
свойства).
Вы знаете, что такое поликристаллы и монокристаллы . ( на интерактивной доске слайды моно и поликристаллов)
Вами был подготовлен и озвучен материал о самых знаменитых алмазах мира. А на
сегодняшнем уроке мы с вами поговорим о не менее интересной проблеме – использование нанотехнологий в изучении структуры поверхностей металлов. Вы знаете, что наш лицей вот уже как
два года назад получил нано-лабораторию Наноэдьюкатор-2. Это силовой зондовый микроскоп,
с помощью которого ребята проводят исследования поверхностей различных твердых образцов и
кристаллов в том числе, на молекулярном уровне. Нами уже созданы два проекта и представлены
на ДАНЮИ. Оба проекта получили статус очной защиты. В конце урока мы пройдем в
лабораторию и посмотрим подготовленные сканы различных поверхностей в 2D и 3D
изображении, которые наши ребята получили в процессе работы над проектами.
В рисовании кристалла смысла нет в серьёзном смысле
Если ты его не любишь, не одушевляешь мыслью
Если ты в него не вложишь - понимание природы
Если есть оно, конечно. Если нет - рисуй восходы
Или, может быть, закаты. Или чёрные квадраты.
Наш урок сегодня необычен. Это урок-экскурсия на необычную выставку-выставку нано-картин.
Эти картины не возможно увидеть не только невооруженным глазом, но даже в микроскоп.
Каждая картина – это поэзия, музыка застывшая в кристаллах. Перед вами лежат листочки и я
вас попрошу в процессе просмотра записывать свои ощущения и впечатления, которыми вы
поделитесь по окончании просмотра. И-так, внимание…
1 учащийся:
В мире существует большое количество приборов, связанных с исследованием поверхностей
материалов на микро- и нано-уровнях. Все они основаны на фундаментальных физических
закономерностях, воплощенных в технологии, и конечно, имеют свои особенности работы.
Сканирующий зондовый микроскоп СЗМ NanoEducator производства Российской компании
НТМ-ДТ не исключение и предоставляет много возможностей как для получения наиболее
информативных и качественных сканов в режимах атомно-силовой микроскопии (АСМ) и
сканирующей туннельной микроскопии (СТМ), так и более четких изображений в режиме
литографии.
2 учащийся:
Пусть в нашей стране слово «нанотехнологии» еще не прижилось, технологии эти существуют и
развиваются. И они не только полезны, но зачастую и чрезвычайно красивы. Общество
исследования материалов (Materials Research Society) с 2005 года дважды в год проводит весьма
оригинальный конкурс под названием «Наука как искусство». На этот конкурс исследователи со
всего мира присылают фотографии микро- и наноструктур в самом прямом смысле неземной
красоты. Сегодня мы расскажем о наиболее эффектных из них, занявших в свое время первые
или
вторые
места.
Презентация представленная учащимися:
Слайд 5
«Одуванчик в Наномире». Автор: Chee Huei Lee, Мичиганский технологический
университет, США
Эта картина называется «Одуванчик в Наномире». Создана она следующим образом. На
кремниевой подложке с помощью химического осаждения из газовой фазы (осаждения на
поверхность подложки тонкой пленки вещества, являющегося продуктом реакции или
разложения паров одного или нескольких веществ) синтезированы нанотрубки нитрида бора
диаметром около 50 нм. После этого массивы трубок сфотографированы в нескольких
масштабах растровым электронным микроскопом (РЭМ). Чуть-чуть фотошопа, чтобы составить
композицию и раскрасить картину в приятные глазу цвета – и нано-одуванчик готов.
Слайд 6
«Наноцветок».
Автор:
PaiChun
Wei,
Национальный
университет
Тайваня
Другой нитрид – нитрид индия, синтезированный на кристалле сульфида цинка с помощью
молекулярно-лучевой эпитаксии («нарастания» в условиях сверхвысокого вакуума одного
кристалла на поверхности другого), образует структуру, также похожую на цветок. Правда, уже
не на одуванчик, а скорее на розу. Ширина «лепестков» – несколько сотен нанометров, толщина
– пара десятков.
Слайд 7
«Светящиеся цветы Пандоры». Автор: Jian Shi, Университет Висконсина, США
Еще немного ботаники. Оксид цинка, также осажденный из газа, но уже без химической реакции
(физическое осаждение из газовой фазы), может образовывать красивейшие структуры, похожие
на фантастические цветы.
Слайд 8
«Подсолнечное поле». Автор: S.K. Hark, Китайский университет Гонконга
А вот и родные подсолнухи! Правда, родом они не с Украины и не с российского юга, а вовсе
даже из Китая. И выросли они не сами, а были синтезированы в ходе реакции кремния с
кислородом, где в качестве катализаторов выступали расплавленные галлий и золото. В середине
«цветка» нановолокна оксида кремния (толщиной порядка 10 нм, между прочим) упакованы
плотно, а по краям – гораздо более рыхло, за счет чего и образуются «лепестки».
Слайд9
«Наномедведь Тэдди». Автор: Helia Jalili, Университет Ватерлоо, Канада
Иногда, чтобы поймать удачный кадр, нужно вовремя включить воображение. В черно-белом
виде – а именно такие кадры выдает электронный микроскоп – узнать в наноструктуре оксида
цинка медвежонка Тедди явно было не так уж просто. После раскрашивания картинки, конечно,
совсем другое дело. И правда же – медведь.
Слайд10
«Нано-Санта».
Автор:
Adam
Steele,
Иллинойский
университет,
США
А в Иллинойском университете умудрились обнаружить миниатюрного Санта-Клауса на
поверхности одного из синтезированных гидрофобных композитов.
Слайд11
«Ветхий днями». Автор: Ee Jin Teo, Национальный университет Сингапура
Кое-кто предпочитает не подсматривать у природы, а творить наноискусство самостоятельно.
Изображающая Иисуса Христа репродукция картины Уильяма Блейка «Ветхий днями» имеет
размеры 500х500 микрон. Она «нарисована» на пористом кремнии с помощью сфокусированного
пучка гелия и последующего травления плавиковой кислотой.
Слайд12
«Современный Стоунхендж». Автор: Nikolai Chekurov, Технологический университет
Хельсинки, Финляндия
Еще в древнем мире люди создавали мегалитические композиции, а уж сегодня гигантскими
постройками точно не легко удивить. А вот Стоунхендж из кремниевых колонн высотой всего в
микрон – совсем другое дело. Такое не каждый день увидишь.
Слайд13
«Dirty Dice». Автор: Timothy Leong, Университет Джона Хопкинса, США
Игральные кости не так монументальны, как Стоунхендж. Но выглядят не менее интересно.
Размер каждой – 200 микрон, сделаны они из никеля. Если увеличить картинку, то станет видно,
что кости полые.
Слайд14
«Нановзрывы». Автор: Fanny Beron, Монреальская политехническая школа, Канада
Ученые также частенько вдохновляются на создание пейзажей. Например, из массива
нановолокон CoFeB получилась такая апокалиптическая картина.
Слайд15
«Пыльцовое спокойствие». Автор: Adam Jakus, Технологический институт Джорджии,
США
А этот ночной пейзаж составлен из РЭМ-фотографий частиц пыльцы, покрытых оксидом
алюминия.
Слайд16
«Нано-Ведьма». Автор: Wen Hsun Tu, Национальный университет Тайваня
Но, конечно, любимое направление, на которое ученых постоянно наталкивает природа – это
абстракционизм. Картины, в поисках которых художникам приходится употреблять
сильнодействующие вещества, изменяющие сознание, научные работники могут просто увидеть
на экране электронного микроскопа. Например, потрясающую наноструктуру из оксида цинка,
синтезированную с помощью метода «пар-жидкость-кристалл» (выращивание кристалла из газа
с
использованием
жидкости
в
качестве
катализатора).
Слайд17
«Квадратура круга». Автор: Waldemar Smirnov, Фраунгоферовский институт прикладной
физики твердого тела, Германия
А такую красоту можно получить с помощью анизотропного травления кристалла алмаза
микроскопическими каплями расплавленного никеля (на картинке – красного цвета),
полученными из нанесенной на поверхность алмаза пленки толщиной 100 нанометров.
Слайд18
«Красота природы. Автор: Olga Volobujeva, Таллиннский технический университет,
Эстония
Кристаллы селенида меди (пластинки) и селенида индия (иголочки) образуют замысловатую
скульптуру на поверхности пленки селенида меди-индия.
Слайд19
«Нанотрубки Ван Гога". Автор: Mariela Bravo-Sanchez, Университет Сан-Луис-Потоси,
Мексика
Самоорганизующиеся массивы углеродных нанотрубок действительно очень похожи на небо с
картины Ван Гога «Звездная ночь». И напоминают фон одного из автопортретов художника.
Слайд20
Оригинал картины Ван Гога «Звездная ночь»
Слайд 21
Бутоны
Ученые из Института физики твердого тела РАН представили работу, в которой изучался
процесс роста наноштырей электрохимическим методом в пористых мембранах. Помимо
научной ценности эти работы вполне можно причислить к современному искусству, где
удивительные картинки микро- и наноструктур ассоциируются с вполне знакомыми образами в
живой природе.
Слайд 22 Клевер
Изображение узора из тонких листов из допированных анилиновых олигомеров, полученное
сканирующим электронным микроскопом. Собранные вместе листы в верхнем правом углу
напоминают цветок, а остальные — листву и стебли. Фон и «листья» оставлены чёрно-белыми,
чтобы подчеркнуть красоту и яркость «цветка». Если оставить лирику в стороне, данная
морфология отличается большой площадью поверхности и высокой электропроводимостью, то
есть, как говорят, идеальна для органических суперконденсаторов и датчиков. (Фото Yue Wang,
University of California, Los Angeles.)
Слайд23 Изморозь
Органические нанопровода с покрытием из неорганических наночастиц. (Фото Yang Hui Ying,
Singapore University of Technology and Design.)
Слайд 24 На берегу ночью один
Смесь трёх изображений набора науглероженной кремниевой нанопроволоки, полученных
сканирующим электронным микроскопом, с разным фокусным расстоянием. Низковольтная
система NovelX mySEM получила ближние и дальние изображения с помощью набора обычных
отражателей, тогда как снимок третьей дистанции был сделан благодаря режиму Topo, дабы
запечатлеть рельеф кремниевых «дюн». Три изображения совместили и раскрасили в
«Фотошопе». Название для этой работы — «На берегу ночью один» — позаимствовали из
стихотворения Уолта Уитмена, в котором поэт размышляет о контрапункте, который не даёт
Вселенной распасться. Действительно, учёные и инженеры, работающие с нанотехнологиями,
оказывают огромное влияние на то, как человек взаимодействует с макрокосмом. И наоборот —
в микромире можно найти привычные нашему глазу формы. (Фото John Alper, University of
California, Berkeley.)
Слайд 25
Ежики
«Ёжики» — частицы с наноразмерными складками на поверхности, образованными
наращиванием жёсткой нанопроволоки из оксида цинка ZnO на полимерных микрошариках.
(Фото Joong Hwan Bahng, University of Michigan — Ann Arbor.)
Слайд 26
Недавно физики из Института физики твердого тела РАН представили работу, в которой
изучался процесс роста наноштырей электрохимическим методом в пористых мембранах.
Побочным результатом этой работы стали прекрасные картинки микро- и наноструктур
(которые, к слову, вполне могут применяться в оптике, медицине, электронике.)
Уаждый в этих картинках увидит свое отражение мира и назовет картинку по своему.
Попытки Божью красоту
Своим умом разнообразить Наверно, тщетны.
Исказить, - возможно. Иль обезобразить.
Творца никто не превзошёл,
Велик лишь тот, кто путь нашёл.
Учащийся:
Конечно, данные фотографии – всего лишь побочный результат работы ученых, способ немного
развлечься и на короткое время переметнуться от физиков к лирикам. Однако за всем этим стоит
серьезная научная деятельность. И от этого действительно захватывает дух. Ведь все предметы,
изображенные на фотографиях, несмотря на ужасающе малые размеры, являются делом
человеческих рук.
Учащийся:
Нанотехнология это наука, которая занимается созданием устройств размером в несколько
нанометров (нм – миллиардная доля метра). Это многообещающая область научной
деятельности, результаты которой должны затронуть все сферы жизни общества. По этой
причине нанотехнология считается одной их ключевых технологий 21 века, которая призвана
повлиять на развитие не только одной отдельной индустрии или отдельного рынка; она создаст
новые широкие возможности в производстве материалов, инструментостроении, сфере
здравоохранения, электроники, оборонном секторе, сенсорных технологиях, промышленном
производстве и сопутствующих им сферах
Учащийся:
Выработка энергии механическим путем в большой степени зависима от наличия подходящих
для этой цели материалов. Фактически в 19м веке сталь была единственно возможным
вариантом. С тех пор были получены и применяются более легкие и прочные материалы, что
обеспечивает оптимальную на данный момент эффективность. Многие из этих новых материалов
обязаны своими выдающимися качествами своей нанокристаллической структуре. Если в
прошлом обработка материалов производилась, как правило, методом проб и ошибок, то в
настоящий момент нанотехнология предлагает хорошо контролируемый подход.
Учащийся:
В последнее время были произведены фундаментально новые открытия в производстве
материалов, в результате чего были получены так называемые углеродистые нанотрубки
проявляющие механическую прочность, в двадцать раз превосходящую прочность стали, и
весящие в шесть раз меньше. Подобные открытия, несомненно, позволят сократить расходы,
связанные с производством, добиться оптимизации качества продуктов и предложат абсолютно
новые решения вопросов в приборостроении. Особенно важную роль призваны сыграть
материалы, используемые для создания различного рода покрытий.
Учитель:
Итак, эти загадочные кристаллы, их прекрасный мир . А что вы знаете о жидких кристаллах? Где
и как сегодня применяются жидкие кристаллы?
(Учащиеся рассказывают о своих познаниях в данном вопросе)
Учитель:
«ЖК – это Вещество которое имеет, если можно так выразиться, две точки
плавления. При 145,5° оно вначале плавится в мутную, но совершенно подвижную жидкость.
Она при 178,5° внезапно становится совершенно прозрачной».
Домашнее задание:
Письменно ответить на следующие вопросы:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Что такое «жидкий кристалл»?
Кем и когда открыт?
Свойства ( чем схож с жидкостью, чем – с кристаллом).
Виды жидких кристаллов.
Как устроены жидкие кристаллы?
На каких свойствах основано их применение?
Где и как применяются?
Ссылки для выполнения ДЗ:
https://ru.wikipedia.org/wiki
http://megabook.ru/article
http://kaplyasveta.ru/o-prirode-veshhej/chto-takoe-zhidkie-kristally.html
http://veronium.narod.ru/LCD.htm
http://www.chem.msu.su/rus/vmgu/022/130.pdf
http://www.pereplet.ru/nauka/Soros/pdf/0006_092.pdf
http://course-crystal.narod.ru/p27aa1.html
Рефлексия:
1. На уроке я работал
активно / пассивно
2. Своей работой на уроке я
доволен / не доволен
3. Урок для меня показался
коротким / длинным
4. За урок я
не устал / устал
5. Мое настроение
стало лучше / стало хуже
6. Материал урока мне был
понятен / не понятен
полезен / бесполезен
интересен / скучен
7. Домашнее задание мне кажется
легким / трудным
интересно / не интересно
Рефлексия:
1. На уроке я работал
активно / пассивно
2. Своей работой на уроке я
доволен / не доволен
3. Урок для меня показался
коротким / длинным
4. За урок я
не устал / устал
5. Мое настроение
стало лучше / стало хуже
6. Материал урока мне был
понятен / не понятен
полезен / бесполезен
интересен / скучен
7. Домашнее задание мне кажется
легким / трудным
интересно / не интересно