Дипломная работа (ВКР) — бакалавр, специалист на тему Разработка лабораторной работы по физике параметры твердого тела с использованием туннельного микроскопа

Содержание:

Введение 3

Глава 1. Построение теории лабораторной работы по теме «Параметры твердого тела» 8

1.1. Понятие «твердого тела» 8

1.2. Что такое туннельный микроскоп 11

1.3. Методические особенности изучения темы «Параметры твердого тела» в курсе физики при помощи туннельного микроскопа 18

1.4. Погрешности измерений при помощи туннельного микроскопа 20

Глава 2. Разработка лабораторной работы по теме 24

2.1. Рекомендации по практическому изучению темы «Параметры твердого тела» в курсе физики 24

2.2. Лабораторная работа по теме «Параметры твердого тела» 29

2.3. Результаты проведения лабораторной работы 41

Глава 3. Результаты проведения опытов и выполнения задач 47

3.1. Итоги выполнения 47

3.2. Решение задач 52

Заключение 58

Список использованных источников 61

Введение:

Актуальность темы настоящего исследования определяется, прежде всего, тем, что физика поверхностных явлений в настоящее время является одним из наиболее интенсивно развивающихся разделов науки. Именно на фундаментальных исследованиях в области физики поверхности твердого тела основаны успехи современных микро- и наноэлектроники, гетероген-ного катализа, космических технологий и т.п. Поэтому исследование раз-нообразных электронных, атомных и молекулярных процессов, происхо-дящих на поверхности твердых тел, остается актуальной задачей.

Сканирующая туннельная микроскопия — метод исследования струк-туры поверхности твердых тел, позволяющий четко визуализировать на ней взаимное расположение отдельных атомов. Туннельный эффект — кван-товый эффект, состоящий в проникновении квантовой частицы сквозь об-ласть пространства, в которой согласно законам классической физики нахождение частицы запрещено. Классическая частица, обладающая пол-ной энергией Е и находящаяся в потенциальном поле, может пребывать лишь в тех областях пространства, в которых ее полная энергия не пре-вышает потенциальную энергию и взаимодействия с полем.

Разработанные аппаратно-программные комплексы позволяют: за-поминать изображения, корректировать их контраст; расширять диапазон яркостей путем введения условных цветов; устранять шумы; подчеркивать границы микроучастков, выделять детали микроструктуры в заданном диапазоне размеров и оптической плотности; проводить статистически об-работку изображений и строить гистограммы распределения микрочастиц по размерам, форме и ориентации; реконструировать объемные изобра-жения структуры композиционных материалов и иных объектов по мик-рофотографиям серийных срезов; реконструировать объемные изображе-ния микрорельефа и строить профилограммы сечений по стереомикрофо-тографиям; рассчитывать локальные микроконцентрации элементов по элементно-селективным изображениям и спектрам; определять параметры кристаллической решеток по электронограммам и др.

Кроме того, выбранная тема актуальна также потому, что изменение социально-экономических условий современной России предъявляет по-вышенные требования к качеству фундаментальной профессиональной подготовки учащихся. Это предполагает формирование прочных систем-ных знаний школьников, овладение технологиями исследования. Повы-шаются требования инновационной и интеллектуальной деятельности. Вы-полнение учениками таких задач предусматривает высокий уровень про-дуктивной деятельности. Их реализация требует от выпускника способно-сти генерировать новую информацию, отличную от той, что содержится в учебном материале; решать проблемы, возникающие в процессе учебной деятельности.

Одним из важнейших условий повышения эффективности учебного процесса является организация учебной исследовательской деятельности и развитие ее основного компонента — исследовательских умений, которые не только помогают учащимся лучше выполнять требования программы, но и развивают у них творческие способности, логическое мышление, создают внутреннюю мотивацию учебной деятельности в целом. Это развитие осу-ществляется в ходе активного участия учащихся в исследовательской, про-ектной и поисковой деятельности и является залогом формирования их го-товности к дальнейшему получению образования и овладению професси-ей.

В последнее время все больше внимания уделяется вопросам профес-сионального самоопределение и самопознание молодежи. Сегодня узко-профессиональный сотрудник со стандартным типом мышления не соот-ветствует требованиям современности. России нужны хорошо образован-ные, предприимчивые люди с творческим типом мышления, которые могут самостоятельно принимать ответственные решения и прогнозировать их последствия; способны к сотрудничеству и активной инновационной дея-тельности; такие, что отличаются высокой нравственностью, мобильностью и конструктивностью подхода к решению проблем.

Школа должна не только знакомить учеников с открытиями, закона-ми, теориями, которые были сделаны другими, но и привлекать учеников к наблюдениям, опытам и другой активной познавательной деятельности. Ведь истинное знание и понимание, как правило, приходят именно благо-даря собственной деятельности. Все это обеспечивает дальнейшее профес-сиональное самосовершенствование.

Как известно, физика является одним из сложнейших предметов для усвоения и изучения, поэтому уровень знаний учеников с каждым годом, к сожалению, снижается. Именно этот факт обуславливает внедрение новых средств обучения, одним из которых является физическое исследование.

Организация учебного исследования позволяет учащимся восприни-мать новые знания не в готовом виде, а добывать их самостоятельно. Так-же отметим, что информатизация общества обусловила глубокое проник-новение информационных технологий в образовательную отрасль. Прин-ципиально изменился не только материально-технический уровень обеспе-чения обучения различных предметов, а и появились новые информацион-ные средства, которые по своей сути позволяют организовать моделиро-вание, эмуляцию и эксперимент и не требуют при этом дополнительного специального оборудования.

К таким средствам в области физики относятся виртуальные или цифровые физические лаборатории, которые теперь интересуют не только физиков-ученых, но и исследователей в области педагогических наук.

Таким образом, очевидна необходимость развития исследователь-ской деятельности учащихся на уроках физики в старшей школе с приме-нением современных технологий, и туннельного микроскопа в частности.

Тема данной работы актуальна и представляет интерес, как для ши-рокого круга общественности, так и для специалистов в сфере педагогики, потому что на сегодняшний день данная проблема недостаточно разрабо-тана.

Анализ педагогической литературы и опыта учителей-предметников показывает, что на сегодняшний день разработаны методики, предполага-ющие использование цифровой техники с целью проекции изображений, полученных с микропрепаратов, на мониторы компьютеров и экраны.

Вместе с тем до сих в методике нет единых требований к использова-нию разнообразных приемов микроскопирования на уроках физики; опыт использования микроскопической техники описан фрагментарно. Данная проблема позволила сформулировать цель исследования.

Цель исследования – раскрыть возможности дополнительного ис-пользования микроскопической техники на примере туннельного микро-скопа в процессе обучения физике и разработать лабораторную работу по теме «Параметры твердого тела»

Объектом исследования – исследовательская деятельность учащихся на уроках физики.

Предмет исследования – возможности использования туннельного микроскопа на уроках физики при организации лабораторной работы по теме «Параметры твердого тела».

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих за-дач:

— рассмотреть особенности изучения темы «Параметры твердого те-ла» в курсе физики;

— изучить возможности использования туннельного микроскопа на уроках физики;

— разработать лабораторную работу по теме «Параметры твердого тела с использованием туннельного микроскопа;

— провести анализ результатов апробации лабораторной работы на практике.

В данной работе произведена систематизация знаний по проблеме исследования. При написании работы был произведен анализ учебников, учебных пособии, монографий, научных статей, данные научных исследо-ваний.

В ходе исследования были использованы следующие методы: анализ литературы по педагогике и методике обучения, нормативных документов и опыта школьной практики в рамках исследуемой проблемы (теоретиче-ские); беседы с учащимися, учителями-предметниками, методистами, анке-тирование учащихся, педагогический эксперимент (практические).

Теоретическая значимость работы определена тем, что нами прове-дено комплексное исследование проблемы.

Практическая значимость работы состоит в том, что материал, кото-рый был получен в результате исследования, можно использовать для дальнейших исследований по этой проблеме, при преподавании и разра-ботке уроков и при подготовке учебной и методической литературы.

Цель и задачи исследования определили структуру работы, которая представлена введением, тремя главами, заключением и списком использо-ванных источников.

Заключение:

Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) – первый из сканиру-ющих зондовых микроскопов. Он был создан в 1981 году Гердом Бинни-гом и Генрихом Рорером в научноисследовательской лаборатории фирмы IBM в Цюрихе. Пятью годами позже за это изобретение им присудили Но-белевскую премию по физике.

СТМ был первым инструментом, который позволил получить изоб-ражение поверхности кремния с атомным разрешением.

В основе СТМ лежит явление квантово-механического туннельного эффекта, заключающегося в способности частиц преодолевать потенциаль-ные барьеры, высота которых больше полной энергии частицы. Туннель-ный эффект связан с волновыми свойствами частиц. Явление туннельного эффекта можно описать с помощью модели энергетических состояний сво-бодных электронов в металле.

В СТМ используется туннелирование электронов между проводя-щими зондом и образцом при наличии внешнего напряжения; шириной туннельного перехода является расстояние между зондом и поверхностью образца. В качестве зонда в СТМ используется остро заточенная металли-ческая игла.

Предельное пространственное разрешение СТМ определяется в ос-новном радиусом закругления острия (которое может достигать несколь-ких ангстрем) и его механической жесткостью. Если механическая жест-кость в продольном и поперечном направлениях оказывается достаточно малой, механические, тепловые и квантовые флуктуации иглы могут суще-ственно ухудшить разрешение СТМ. В качестве материала для зонда обычно используются металлы с высокой твердостью и химической стой-костью: вольфрам или платина.

Для проверки эффективности лабораторной работы с использование туннельного микроскопа в рамках исследования была организована опыт-но-экспериментальная работа по развитию логической культуры учащихся старшей школы на примере учеников 10 «А» класса. Исследование прово-дилось в 3 этапа:

1. Констатирующий эксперимент.

2. Формирующий эксперимент (экспериментальная группа).

3.Контрольный эксперимент.

Цель констатирующего эксперимента: выявление уровня развития мыслительных операций у детей контрольной и экспериментальной групп.

На первом этапе был осуществлен теоретический анализ проблемы исследования, определены его задач, цели, гипотеза, проведен констати-рующий эксперимент.

На втором этапе был проведен формирующий эксперимент в экспе-риментальной группе.

На третьем этапе проведен контрольный эксперимент и проведена систематизация полученных результатов исследования.

Опытно-экспериментальная работа по изучению уровня развития ло-гической культуры у обучающихся на уроках физики проводилась на базе МОУ СОШ №5 в 10«А» и 10 «Б» классе.

В ходе исследования было сделано предположение о том, что эффек-тивности формирования у школьников логической культуры на уроках физики способствуют дополнительные педагогические условия [28]:

1. наличие у педагогов устойчивой направленности на развитие ло-гического мышления;

2. обеспечение мотивации учащихся к освоению логических опера-ций;

3. реализация деятельностного и личностно ориентированного под-ходов к развитию логического мышления;

4. обеспечение вариативности содержания занятий.

Линия на развитие познавательных интересов учащихся достаточно четко прослеживается во всех учебниках физики. В них есть упражнения, направленные на развитие внимания, наблюдательности, памяти и на раз-витие логического мышления. Однако, мы пришли к выводу о том, что необходимы дополнительные задания развивающего характера, задания логического характера, задания, требующие применения знаний в новых условиях, например: логические цепочки, магические квадраты, задачи в стихах, головоломки, математические загадки, кроссворды, геометриче-ские задания со счётными палочками, логические задачи со временем, ве-сом, комбинаторные задачи.

На формирующем этапе эксперимента на уроках физики учащимся было предложено кроме интегрированного урока провести опыты с тун-нельным микроскопом и сделать выводы.

В рамках настоящего исследования была разработана Лабораторная работа по теме «Параметры твердого тела» в виде интегрированного уро-ка, который позволит закрепить полученные ранее знания и углубить при помощи включения в работу практической части с применение туннельно-го микроскопа.

Результаты контрольного эксперимента подтвердили достоверность выдвинутой гипотезы о том, что развитие мыслительных операций и логи-ческой культуры школьников будет проходить более успешно, если раз-работать и претворить в жизнь комплекс нестандартных задач на уроках физики, развивающих познавательный интерес и личность учащихся. Од-нако следует отметить, что при выполнении методик в ходе опытно – экс-периментальной работы учащиеся испытывали затруднения в выполнении приема выделять существенное.

Следовательно, необходимо продолжить специальную работу по развитию мыслительных операций и логической культуры школьников с учетом данных, полученных в ходе опытно – экспериментальной работы. А применение туннельного микроскопа в практической деятельности подо-гревает интерес учащихся и позволяет закрепить знания.

Подводя итоги, можно сделать вывод о том, что поставленная в ра-боте цель достигнута, а задачи решены.

Фрагмент текста работы:

Глава 1. Построение теории лабораторной работы по теме «Параметры твердого тела»

1.1. Понятие «твердого тела»

Твердыми называют те вещества, которые способны образовывать тела и имеют объем. От жидкостей и газов они отличаются своей формой. Твердые вещества сохраняют форму тела благодаря тому, что их частицы не способны свободно перемещаться. Они отличаются плотностью, пла-стичностью, электропроводностью и цветом. Также у них есть и другие свойства [1].

Например, большинство из этих веществ плавятся во время нагрева-ния, приобретая жидкое агрегатное состояние. Некоторые из них при по-догреве сразу же превращаются в газ (возгоняются). Но есть еще и те, ко-торые разлагаются на иные вещества.

Твёрдые вещества (далее: ТВ) бывают двух типов — кристалличе-скими и аморфными в зависимости от устройства и свойств.

Узел – это занимаемая атомами, ионами или молекулами ТВ опреде-ленная точка в пространстве. Узлы с содержащимися в них частицами ТВ соединяются посредством воображаемых линий, в результате чего проис-ходит образование правильной пространственной решетки, называемой кристаллической. Химики говорят о четырёх видах кристаллических ре-шеток [7]:

1. ионной;

2. атомной;

3. молекулярной;

4. металлической.

У всех кристаллических веществ есть одно общее свойство: каждое из них обладает уникальной, строго определенной температурой плавления [3].

Сжимаемость твердых веществ близка к нулю. Все ТВ имеют опре-деленный объем. Одним из наиболее известных свойств ТВ является их способность сохранять свою форму. По сравнению с газами и жидкостями твердые вещества могут выдерживать значительные внешние нагрузки. Плотность каждого вещества в твердом состоянии значительно больше, чем в газообразном состоянии, и несколько больше, чем в жидком.

Исключением является вода, которая в жидком состоянии обладает большей плотностью, чем лёд. Кристаллические ТВ имеют строго опреде-ленную температуру плавления, но аморфные ТВ, как, например, стекла, размягчаются в некотором интервале температур. Все ТВ характеризуют-ся определенным давлением пара, хотя оно, как правило, очень мало. Это особенно относится к ТВ ионного типа [12].

ТВ являются аморфными, потому что они, как и кристаллические, способны достаточно долго сохранять форму. Однако через длительное время форма тел, образованная из таких веществ, меняется, что делает их похожими в этом отношении на жидкости. Так, установленная вертикально восковая свеча со временем утолщится в нижней части [9].

Можно попробовать проделать эту же процедуру с обычной жева-тельной резинкой или кусочком пластилина. Результат окажется тем же. Размягчение ускоряется пропорционально повышению температуры. Аморфные вещества, в отличие от кристаллических, не обладают опреде-ленной температурой плавления.

В аморфных веществах, как и в кристаллах, частицы, из которых они состоят, не распределены по всему объему. Частицы, составляющие аморфное вещество, расположены беспорядочно, и только ближние атомы или соседние молекулы расположены упорядоченно.

Как кусок горной породы, камень преимущественно содержит оксид кремния (IV), обладающий атомной кристаллической решеткой, поэтому он такой твердый. Тем не менее оксид кремния (IV) может быть не только кристаллическим ТВ, но и аморфным [8].

Условия затвердевания расплава в аморфном состоянии могут быть причиной появления веществ, имеющих кристаллическую структуру. Например, если расплавленный кристалл кварца (оксида кремния (IV)) быстро охладить, получится расплавленный аморфный кварц, обладаю-щий меньшей плотностью, нежели кристаллический. Это вещество приме-няют для производства разного рода изделий.

Аморфное состояние веществ не обладает устойчивостью, и посте-пенно они становятся кристаллическими. Например, в аморфном стекле после удара происходит образование небольших кристаллов, и стекло становится мутным. Для застывшего твердого мёда, как и для стекловид-ной карамели, характерно засахаривание в ходе длительного хранения. Следовательно, по своей структуре аморфные вещества могут быть вязки-ми жидкостями, а по своим свойствам – ТВ [12].

Тем не менее для аморфных и кристаллических веществ, являющихся крайними полюсами твердого состояния, свойственно встречаться одно-временно в одном и том же веществе. Хоть многие полимеры, как правило, аморфны, они обладают участками кристаллической структуры. Это, в частности, является причиной высокой прочности полипропиленовых и капроновых волокон.

В узлах молекулярной решетки находятся молекулы, которые могут быть как полярными (лёд), так и неполярными (твердый кислород). Сосед-ние молекулы в молекулярной кристаллической решетке удерживаются слабыми силами межмолекулярного взаимодействия (водородными связя-ми, ван-дер-ваальсовыми силами), поэтому такие вещества довольно лету-чи, имеют низкие температуры плавления и кипения [24].

Слово «аморфный» (бесформенный) ассоциируется в сознании мно-гих людей с негативными ассоциациями. Очевидно, что это хороший спо-соб описать личность человека. У химических веществ и материалов всё по-другому. Именно аморфные вещества вроде жемчуга, янтаря, полудра-гоценных камней, хрусталя бесконечно красивы.