Ak zväčšíte hmotnosť kyvadla, ako sa zmení. Začnite vo vede. Nanotechnológia ako veda

Pracovný program kurzu mimoškolských aktivít „Laboratórium mladého chemika“ (8. ročník. 35 hod.)

Plánované výsledky zvládnutia priebehu mimoškolských aktivít

Osobné:

Formovanie holistického svetonázoru zodpovedajúceho súčasnej úrovni rozvoja vedy a spoločenskej praxe;

Formovanie zodpovedného postoja k učeniu, pripravenosti a schopnosti sebarozvoja a sebavzdelávania, vedomé budovanie individuálnej vzdelávacej trajektórie, berúc do úvahy trvalo udržateľné kognitívne záujmy;

Formovanie komunikatívnej kompetencie vo vzdelávacej, pedagogickej, výskumnej a tvorivej činnosti;

Formovanie kognitívnej a informačnej kultúry, zručnosti samostatnej práce s učebnými pomôckami, knihami, dostupnými nástrojmi a technickými prostriedkami informačných technológií;

Vytváranie základov environmentálneho vedomia a potreby zodpovedného, ​​starostlivého prístupu k svojmu zdraviu a životnému prostrediu;

Rozvoj pripravenosti na riešenie tvorivých problémov, schopnosť nachádzať adekvátne spôsoby správania a interakcie s partnermi pri výchovno-vzdelávacej a mimoškolskej činnosti, schopnosť posudzovať problémové situácie a rýchlo sa zodpovedne rozhodovať v rôznych produktívnych činnostiach.

Metapredmet:

Osvojenie si zručností samostatného získavania nových vedomostí, organizácie vzdelávacích aktivít, hľadania prostriedkov na ich realizáciu;

Schopnosť plánovať spôsoby dosiahnutia cieľov na základe nezávislej analýzy podmienok a prostriedkov na ich dosiahnutie, identifikovať alternatívne spôsoby dosiahnutia cieľa a zvoliť najefektívnejší spôsob, vykonávať kognitívnu reflexiu vo vzťahu k opatreniam na riešenie vzdelávacích a kognitívne problémy;

Schopnosť porozumieť problému, nastoliť otázky, predložiť hypotézu, definovať pojmy, klasifikovať, štruktúrovať materiál, vykonávať experimenty, argumentovať vlastným postojom, formulovať závery a závery;

Schopnosť korelovať svoje konanie s plánovanými výsledkami, kontrolovať svoju činnosť v procese dosahovania výsledku, určovať spôsoby konania v rámci navrhnutých podmienok a požiadaviek, prispôsobovať svoje konanie meniacej sa situácii;

Formovanie a rozvoj kompetencie v používaní nástrojov a technických prostriedkov informačných technológií (počítače a softvér) ako inštrumentálneho základu pre rozvoj komunikačných a kognitívnych univerzálnych vzdelávacích aktivít;

Schopnosť vytvárať, aplikovať a transformovať znaky a symboly, modely a schémy na riešenie vzdelávacích a kognitívnych problémov;

Schopnosť získavať informácie z rôznych zdrojov (vrátane médií, vzdelávacích CD, internetových zdrojov), voľne používať referenčnú literatúru, a to aj na elektronických médiách, v súlade s normami informačnej selektivity, etiky;

Schopnosť v praxi používať základné logické techniky, metódy pozorovania, modelovania, vysvetľovania, riešenia problémov, predpovedania atď.;

Schopnosť pracovať v skupine – efektívne spolupracovať a interagovať na základe koordinácie rôznych pozícií pri rozvíjaní spoločného riešenia v spoločných aktivitách; počúvať partnera, formulovať a argumentovať svoj názor, správne obhajovať svoj postoj a koordinovať ho z pozície partnerov, a to aj v situácii konfliktu záujmov; produktívne riešiť konflikty na základe zohľadňovania záujmov a pozícií všetkých jej účastníkov, hľadania a vyhodnocovania alternatívnych spôsobov riešenia konfliktov.

Predmet:

V oblasti vedomostí:

• uviesť definície študovaných pojmov;
• opísať demonštračné a samostatne vedené chemické experimenty;
• opísať a rozlíšiť študované látky používané v každodennom živote;
• klasifikovať skúmané predmety a javy;
• vyvodzovať závery a závery z pozorovaní;
• štruktúrovať študovaný materiál a chemické informácie získané z iných zdrojov;
• bezpečne zaobchádzať s látkami používanými v každodennom živote.

V hodnotovo - orientačnej sfére:

analyzovať a hodnotiť dôsledky domácich a priemyselných ľudských činností spojených s používaním chemikálií na životné prostredie.

V pracovnej oblasti:

vykonať chemický experiment.

V oblasti bezpečnosti života:

dodržiavať pravidlá pre bezpečnú manipuláciu s látkami a laboratórnym vybavením.

Úvod. Základy bezpečnej manipulácie s látkami (1 h).Ciele a ciele kurzu.

Časť 1. V laboratóriu úžasných premien (13 hodín).

Praktická práca.1. Získavanie mydla alkalickým zmydelnením tukov. 2. Príprava roztokov určitej koncentrácie. 3. Rastúce kryštály soli.

Sekcia 2. V laboratóriu mladého výskumníka (11 hodín).Experimenty s prírodnými objektmi (voda, pôda).

Praktická práca.4. Štúdium vlastností prírodnej vody. 5. Stanovenie tvrdosti prírodnej vody titráciou. 6. Analýza pôdy. 7. Analýza snehovej pokrývky.

Experimenty s jedlom.

Praktická práca.8. Štúdium vlastností sýtených nápojov. 9. Štúdium kvalitatívneho zloženia zmrzliny. 10. Štúdium vlastností čokolády. 11. Výskum čipov. 12. Štúdium vlastností žuvačky. 13. Stanovenie vitamínu C v ovocných šťavách a nektároch. 14. Štúdium vlastností baleného čierneho čaju.

Časť 3. V kreatívnom laboratóriu.

Časová rezerva štúdia - 4 hodiny

Text práce je umiestnený bez obrázkov a vzorcov.
Plná verzia práce je dostupná v záložke „Súbory úloh“ vo formáte PDF

Cieľ:

Získanie nanoobjektu v školskom laboratóriu a štúdium jeho vlastností.

Úlohy:

Nájdite informácie v rôznych zdrojoch o nanotechnológii a jej predmetoch;

Zhromaždite informácie o použití týchto látok;

Získajte feromagnety v školskom laboratóriu, skúmajte ich vlastnosti;

Vyvodiť závery z výskumu.

1. Úvod

V súčasnosti málokto vie, čo je nanotechnológia, aj keď za touto vedou je budúcnosť. Pred viac ako 100 rokmi otvoril dvere do sveta atómov a elementárnych častíc po prvýkrát slávny fyzik Max Planck, ktorého kvantová teória naznačila, že táto sféra podlieha novým, úžasným zákonom.

2.1 Čo sa skrýva pod predponou „nano“

V posledných rokoch sa v titulkoch novín a článkov v časopisoch čoraz častejšie stretávame so slovami, ktoré začínajú predponou „nano“. V rozhlase a televízii sme takmer denne informovaní o perspektívach rozvoja nanotechnológií a prvých dosiahnutých výsledkoch. Čo znamená slovo „nano“? Pochádza z latinského nanus – „trpaslík“ a doslova označuje malú veľkosť častíc. Do predpony „nano“ vedci uviedli presnejší význam, konkrétne jednu miliardtinu. Napríklad jeden nanometer je jedna miliardtina metra alebo 0,0000000001 m (10-9 m)

2.2 Nanotechnológia ako veda.

Zvýšený záujem výskumníkov o nanoobjekty je spôsobený objavovaním nezvyčajných fyzikálnych a chemických vlastností v nich, čo súvisí s prejavom takzvaných „efektov kvantovej veľkosti“. Tieto efekty sú spôsobené tým, že pri zmenšovaní veľkosti a prechode z makroskopického telesa na mierku niekoľko stoviek až niekoľko tisíc atómov sa hustota stavov vo vonkajšej zóne a vo vodivom pásme dramaticky mení, čo sa prejavuje vo vlastnostiach v dôsledku správania elektrónov, predovšetkým magnetických a elektrických. „Súvislá“ hustota stavov, ktorá existovala na makroúrovni, je nahradená jednotlivými úrovňami, pričom vzdialenosti medzi nimi závisia od veľkosti častíc. V takom meradle materiál prestáva vykazovať fyzikálne vlastnosti vlastné makrostavu hmoty alebo ich vykazuje v zmenenej forme. Vďaka tomuto veľkostne závislému správaniu fyzikálnych vlastností a netypickosti týchto vlastností v porovnaní s vlastnosťami atómov na jednej strane a makroskopických telies na strane druhej sú nanočastice izolované do samostatnej, medziľahlej oblasti a sú často nazývané "umelé atómy"

2.3 História vývoja nanotechnológií

1905 Švajčiarsky fyzik Albert Einstein publikoval článok, v ktorom dokázal, že veľkosť molekuly cukru je približne 1 nanometer.

1931 Nemeckí fyzici Max Knoll a Ernst Ruska vytvorili elektrónový mikroskop, ktorý po prvý raz umožnil študovať nanoobjekty.

1959 Americký fyzik Richard Feynman ako prvý publikoval prácu hodnotiacu vyhliadky na miniaturizáciu.

1968 Alfred Cho a John Arthur, zamestnanci vedeckej divízie americkej spoločnosti Bell, vyvinuli teoretické základy nanotechnológie v povrchových úpravách.

1974 Japonský fyzik Norio Taniguchi vymyslel slovo „nanotechnológia“ na označenie mechanizmov menších ako jeden mikrón. Grécke slovo „nanos“ znamená zhruba „starý muž“.

1981 Nemeckí fyzici Gerd Binnig a Heinrich Rohrer vytvorili mikroskop schopný ukázať jednotlivé atómy.

1985 Americkí fyzici Robert Curl, Harold Kroto a Richard Smaley vytvorili technológiu, ktorá umožňuje presne merať objekty s priemerom jedného nanometra.

1986 Nanotechnológia sa dostala do povedomia širokej verejnosti. Americký futurista Erk Drexler vydal knihu, v ktorej predpovedal, že nanotechnológia sa čoskoro začne rýchlo rozvíjať.

V roku 1959 laureát Nobelovej ceny Richard Feynman vo svojom prejave predpovedal, že v budúcnosti, keď sa ľudstvo naučí manipulovať s jednotlivými atómami, bude schopné syntetizovať čokoľvek. V roku 1981 sa objavil prvý nástroj na manipuláciu s atómami – tunelovací mikroskop, ktorý vynašli vedci z IBM. Ukázalo sa, že pomocou tohto mikroskopu je možné jednotlivé atómy nielen „vidieť“, ale ich aj dvíhať a presúvať. To demonštrovalo základnú možnosť manipulácie s atómami, a teda priameho skladania čohokoľvek z nich, akoby z tehál, čohokoľvek: akéhokoľvek predmetu, akejkoľvek látky.

Nanotechnológia sa zvyčajne delí na tri oblasti:

výroba elektronických obvodov, ktorých prvky pozostávajú z niekoľkých atómov;

vytváranie nanostrojov, teda mechanizmov a robotov s veľkosťou molekuly;

priama manipulácia s atómami a molekulami a ich skladanie do čohokoľvek.

V roku 1992 Dr. Eric Drexler vo svojom prejave pred výborom Kongresu USA namaľoval obraz dohľadnej budúcnosti, keď nanotechnológie premenia náš svet. Hlad, choroby, znečistenie životného prostredia a ďalšie naliehavé problémy, ktorým ľudstvo čelí, budú odstránené.

2.4 Aplikácia.

V súčasnosti sa magnetické tekutiny aktívne študujú vo vyspelých krajinách: Japonsko, Francúzsko, Veľká Británia a Izrael. Ferrofluidy sa používajú na vytváranie tekutých tesniacich zariadení okolo rotačných osí pevných diskov. Ferrofluid sa používa aj v mnohých výškových reproduktoroch na odvádzanie tepla z kmitacej cievky.

Aktuálne aplikácie:

Tepelná ochrana;

Optická ochrana (viditeľné svetlo a UV žiarenie);

Atrament do tlačiarní;

Médium na zaznamenávanie informácií.

Perspektíva 3-5 rokov:

Cielený prenos liekov;

Génová terapia;

Nanokompozitné materiály pre automobilový priemysel;

Ľahké a antikorózne nanokompozitné materiály;

Nanotechnológia na výrobu potravinárskych výrobkov, kozmetiky a iných predmetov pre domácnosť.

Dlhodobá perspektíva:

Aplikácia nanotechnológií v energetickom a palivovom priemysle;

Produkty na ochranu životného prostredia nanotechnológie;

Využitie nanotechnológie na výrobu protéz a umelých orgánov;

Použitie nanočastíc v integrovaných senzoroch nanometrov;

Nanotechnológia vo výskume vesmíru;

Syntéza nanomateriálov v kvapalných nevodných médiách;

Použitie nanočastíc na čistenie a dezinfekciu.

3. Praktická časť

3.1 Laboratórny pokus č.1

Príprava nanočastíc striebra.

Do Erlenmeyerovej banky sa nalialo 10 ml destilovanej vody, pridal sa 1 ml 0,1 M roztoku dusičnanu strieborného a jedna kvapka 1 % roztoku tanínu (pôsobí ako redukčné činidlo). Roztok sa zahrial do varu a po kvapkách sa k nemu za miešania pridal 1 % roztok uhličitanu sodného. Vznikne roztok koloidného striebra oranžovo-žltej farby.

Reakčná rovnica: FeCl 3 +K 4 Fe(CN) 6 K 3 Fe(CN) 6 +KCl.

3.2 Laboratórny pokus č.2

Príprava nanočastíc pruskej modrej.

Do banky sa naleje 10 ml destilovanej vody a do nej sa pridajú 3 ml 1 % roztoku žltej krvnej soli a 1 ml 5 % roztoku chloridu železitého. Izolovaná modrá zrazenina sa odfiltrovala. Časť sa preniesla do kadičky s destilovanou vodou, pridal sa 1 ml 0,5 % roztoku kyseliny šťaveľovej a suspenzia sa miešala sklenenou tyčinkou až do úplného rozpustenia zrazeniny. Vznikne jasne modrý sól obsahujúci nanočastice pruskej modrej.

3.3 Laboratórny pokus č.3

FMF dostaneme v laboratóriu.

Vzali olej (slnečnica), aj toner do laserovej tlačiarne (látka vo forme prášku). Obe zložky zmiešame do konzistencie kyslej smotany.

Aby bol účinok maximálny, výsledná zmes sa zahrievala vo vodnom kúpeli asi pol hodiny, pričom sa nezabudlo miešať.

Zďaleka nie každý toner má silnú magnetizáciu, ale len dvojzložkovú – obsahujúcu vývojku. Preto si musíte vybrať tú najlepšiu kvalitu.

3.4 Interakcia magnetickej tekutiny s magnetickým poľom.

Magnetická tekutina interaguje s magnetickým poľom nasledujúcim spôsobom: ak magnet posuniete nabok, tekutina vylezie po stene a môže za magnetom stúpať tak vysoko, ako chcete. Zmenou smeru pohybu magnetickej tekutiny môžete vytvoriť vzor na stene nádoby. Pohyb magnetickej tekutiny v magnetickom poli možno pozorovať aj na podložnom skle. Magnetická kvapalina naliata do Petriho misky sa pri zdvihnutí magnetu zreteľne nafúkla, ale nebola pokrytá hrotmi. Podarilo sa nám reprodukovať iba s hotovou magnetickou kvapalinou MF-01 (výrobca - NPO Santon LLC). Na tento účel sa do Petriho misky naliala tenká vrstva magnetickej tekutiny a priviedol sa k nej jeden magnet, potom niekoľko magnetov. Kvapalina mení svoj tvar a je pokrytá "ostňami" pripomínajúcimi ostne ježka.

3.5 Tyndallov efekt

Do destilovanej vody sa pridalo trochu magnetickej tekutiny a roztok sa dôkladne premiešal. Lúč svetla z laserového ukazovátka prešiel cez sklo s destilovanou vodou a cez sklo s výsledným roztokom. Laserový lúč prechádza vodou bez zanechania stopy a zanecháva svetelnú dráhu v roztoku magnetickej tekutiny. Základom pre vzhľad Tyndallovho kužeľa je rozptyl svetla koloidnými časticami, v tomto prípade časticami magnetitu. Ak je veľkosť častíc menšia ako polovica vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla, potom sa pozoruje difrakčný rozptyl svetla. Svetlo sa ohýba okolo častíc a rozptyľuje sa vo forme vĺn, ktoré sa rozchádzajú vo všetkých smeroch. V koloidných systémoch je veľkosť častíc dispergovanej fázy 10-9 - 10-7 m, t.j. leží v rozmedzí od nanometrov po zlomky mikrometrov. Táto oblasť presahuje veľkosť typickej malej molekuly, ale je menšia ako veľkosť objektu pozorovaného v bežnom optickom mikroskope.

3.6 Výroba "magnetického" papiera

Zobrali kúsky filtračného papiera, namočili ich do magnetickej tekutiny a vysušili. Nanočastice magnetickej fázy, ktoré vyplnili póry papiera, mu dali slabé magnetické vlastnosti - papier je priamo priťahovaný k magnetu. Pomocou magnetu sa nám podarilo cez sklo vytiahnuť figúrku z “magnetického” papiera z pohára.

3.7 Štúdium správania sa magnetickej tekutiny v etanole

Malé množstvo nami získanej magnetickej tekutiny bolo pridané do etylalkoholu. Dôkladne premiešané. Pozorovala sa rýchlosť usadzovania častíc magnetitu. Častice magnetitu sa mimo magnetického poľa usadili za 2-3 minúty. Magnetit, uložený v etanole, sa chová zaujímavo – po magnete sa kompaktne pohybuje vo forme zrazeniny a na stene skúmavky nezanecháva žiadnu stopu. Ponechaný v tejto polohe ho dlho drží mimo magnetického poľa.

3.8 Pokusy na odstránenie nečistôt z motorového oleja z povrchu vody

Do vody sa nalialo trochu strojového oleja a potom sa pridalo malé množstvo magnetickej tekutiny. Po dôkladnom premiešaní sa zmes nechala usadiť. Magnetická kvapalina sa rozpustila v motorovom oleji. Pôsobením magnetického poľa sa film strojového oleja s magnetickou tekutinou rozpustenou v ňom začne zmenšovať smerom k magnetu. Hladina vody sa postupne čistí.

3.9 Porovnanie mazacích vlastností strojového oleja a zmesi strojového oleja a ferrofluidu

Strojový olej a zmes strojového oleja s magnetickou kvapalinou sa umiestnili do Petriho misiek. Do každého pohára bol umiestnený permanentný magnet.

Nakláňaním pohárov sme posúvali magnety a pozorovali rýchlosť ich pohybu. V pohári ferrofluidu sa magnet pohyboval o niečo ľahšie a rýchlejšie ako v pohári motorového oleja. Jednotlivé nanočastice obsahujúce nie viac ako 1000 atómov sa nazývajú zhluky. Vlastnosti takýchto častíc sa výrazne líšia od vlastností kryštálu, ktorý obsahuje obrovské množstvo atómov. To sa vysvetľuje špeciálnou úlohou povrchu, pretože reakcie zahŕňajúce pevné látky sa nevyskytujú v objeme, ale na povrchu.

4. Záver

Magnetická kvapalina (feromagnetická kvapalina, ferofluid) je stabilný koloidný systém pozostávajúci z nanometrových feromagnetických častíc suspendovaných v nosnej kvapaline, ktorou je zvyčajne organické rozpúšťadlo alebo voda. Feromagnetická kvapalina podľa svojich vlastností pripomína "tekutý kov" - reaguje na magnetické pole a je široko používaná v mnohých priemyselných odvetviach. Po štúdiu vlastností feromagnetickej tekutiny sa nám v školskom laboratóriu podarilo získať nanoobjekty.

5. Referencie

Brook E. T., Fertman V. E. "Ježko" v pohári. Magnetické materiály: od pevných po kvapalné. Minsk, Vyššia škola, 1983.

Shtansky DV, Levashov EA Viaczložkové nanoštruktúrované tenké vrstvy: problémy a riešenia. Izv. univerzity. Hutníctvo neželezných kovov č. 3, 52 (2001).

http://teslacoil.ru/himiya/ferroflyuid/

http://khd2.narod.ru/technol/magliq.htm.

http://nanoarea.ru/index.php/dispersia-pokritia/140-obzor-primenenii

http://dic.academic.ru

http://magneticliquid.narod.ru/applications/011.htm

http://khd2.narod.ru/technol/magliq.htm

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ferrofluid_Magnet_under_glass_edit.jpg?uselang=ru

6.App

6. Fotografie z pokusov

Úloha B3. V školskom laboratóriu študujú kmity pružinového kyvadla pri rôznych hodnotách hmotnosti kyvadla. Ak zväčšíte hmotnosť kyvadla, ako sa zmenia 3 veličiny: perióda jeho kmitov, ich frekvencia, perióda zmeny jeho potenciálnej energie? Pre každú pozíciu prvého stĺpca vyberte požadovanú pozíciu druhého stĺpca a zapíšte si vybrané čísla do tabuľky pod príslušné písmená. Doba oscilácie. jeden). sa zvýši. Oscilačná frekvencia. 2). sa zníži. Obdobie potenciálnej zmeny energie. 3). nezmení sa. ALE). B). IN). A. B. V. Fyzikálne veličiny. Fyzikálne veličiny. Ich zmena. Ich zmena.

10. ročník z fyziky

"Lekcia elektrostatiky" - Hodváb pri trení o sklo elektrizuje. Napätie. Jednotka potenciálneho rozdielu. energie. štrukturálny model. Pevnosť. Elektrostatika. Čo viete o elektrifikácii tiel. Komunikatívna aktivita. Správa analytika. Značky nabíjania. Výskum. Sekcia elektrodynamiky. Trenie papiera na tlačiarenských lisoch. Práca katedry teoretikov. Energetická charakteristika elektrického poľa. Výberové otázky.

"Zákon zachovania a premeny energie" - Príklady aplikácie zákona zachovania energie. Celková mechanická energia tela. Energia nevzniká a nezaniká. Telo je hodené kolmo nahor. Sane s hmotnosťou m sa ťahajú do kopca konštantnou rýchlosťou. Cieľ. Existujú dva typy mechanickej energie. Energia sa v tele nemôže objaviť, ak ju nedostalo. Príklady aplikácie zákona o zachovaní energie v obci Russkoe. Výrok o nemožnosti vytvorenia „perpetual mobile machine“.

"Tepelné motory, typy tepelných motorov" - Dosiahnutie maximálnej účinnosti. Wankelov motor s rotačným piestom. Expanzná turbína. Diagram tepelnej bilancie moderných spaľovacích motorov. Piest ICE. Piestové motory Otto a Diesel. Rotačný lopatkový spaľovací motor. Čo je možné a nemožné v tepelných motoroch. Moderné motory s neúplnou objemovou expanziou. Plynové turbínové motory s plnou bezobjemovou expanziou.

"Vnútorná energia" Stupeň 10 - Termodynamický systém pozostáva z veľkého počtu mikročastíc. Ideálny plyn je zjednodušený model skutočného plynu. Tlak. Priemerná kinetická energia jedného atómu. Dve definície vnútornej energie. Zápletky izoprocesov. Molekulárno-kinetická interpretácia pojmu vnútornej energie. energie. Mernou jednotkou energie je Joule. Zopakujme si. Zmena vnútornej energie. izotermický proces.

"Problémy v termodynamike" - Teplota. Vnútorná energia plynu. Výraz. účinnosť tepelných motorov. Ideálny plyn. Balón. Úloha. graf závislosti. efektívnosť. Izotermická kompresia. Dieselové palivo. Tepelný motor. Základy termodynamiky. Plyn. Rovnica tepelnej bilancie. Základné vzorce. Vedomosti. Množstvo látky. Ideálny tepelný motor. Vodná para. Množstvo tepla. Vnútorná energia. hélium. Plynárenské práce.

"Základy optiky" - Fotoaparát. Experimentálne zákony. Objekt medzi ohniskom a zrkadlom. Dva z troch uvedených lúčov. Lineárne priblíženie. Ostrenie. sférické zrkadlá. Kolmo na zrkadlo. Objektívy. Šošovky sa nazývajú divergentné. Obrázok bodu S v šošovke. indexy lomu. Priame čiary prechádzajúce optickým stredom. Na zrkadlo v bode N dopadá lúč. Ploché zrkadlo. hodnoty. Úvod. Zákony odrazu.