Обучение (стр. 15 из 20)

Суперпарамагнетизм. Явление туннелирования магнитного момента в ферромагнитных наночастицах. На-номатериалы с эффектом гигантского магнитного сопротивления (магнитные мультислои), их использование для записи и чтения информации. Использование магнитных кластеров, изолированных внутри нанотрубок.

Применение магнитных нанокластеров в медицине.

Наномембраны и вторичные структуры на их основе. Нанопроволоки

(4 ч)

Использование ускоренных ионов для получения трековых полимерных наномембран; применения нано-мембран.

Получение с помощью электролиза вторичных структур — нанопроволок. Магнитное сопротивление в на-нопроволоках и наномостиках. Нанопроволоки (нано-нити) на основе дрожжевых белков.

Квантовые точки, полупроводниковые сверхрешетки

(6 ч)

Самосборка германиевых «пирамид». Квантовые компьютеры, кубиты. Полупроводниковые сверхрешетки — новый тип полупроводников. Композиционные и легированные сверхрешетки, их использование. Отрицательное электросопротивление.

Фотонные кристаллы — оптические сверхрешетки

(8 ч)

Дифракционная решетка как одномерная фотонная структура. Качественное представление о дифракции на двумерной и трехмерной фотонной структуре. «Зонная теория» для фотонов: фотонные проводники, изоляторы, полупроводники и сверхпроводники.

Перспективы применения фотонных кристаллов для построения лазеров нового типа, оптических интегральных схем, хранения и передачи информации. История создания и исследования фотонных кристаллов. Кластерная сверхрешетка опала.

Применение драгоценных камней в квантовых оптических технологиях XX—XXI вв.

Консолидированные наноструктуры

(6 ч)

Наночастицы и кластеры металлов. Магические числа. Понятие о фрактальной размерности. Металл-полимерные нанокомпозиты, наноструктурные твердые сплавы, наноструктурные защитные покрытия и пр.

Нанотехнология в биологии и медицине

(10 ч)

Использование сканирующей микроскопии для исследования микроскопических структур и процессов в биологических системах. Нанороботы в организме человека. Наноактюаторы (наномоторы), использующие биологические наноструктуры. Тканевая инженерия (создание биологических тканей). Нанотехнология изготовления ДНК-чипов и расшифровка геномов человека и растений. Нанотехнология и охрана окружающей среды (наноструктуры с иерархической самосборкой для адсорбции атомов тяжелых металлов, нанопористые материалы для очистки воды, наносенсоры и пр.).

Теория и компьютерное моделирование наноструктур

(2 ч)

Развитие нанотехнологии в России и других странах мира

(2 ч)

Средства обучения

Слайды (диапозитивы).

Графические иллюстрации.

Сайты в Интернете, распечатки сайтов.

Научно-популярная литература.

Дидактические материалы.

Учебники по физике, химии, биологии для старших классов средней школы.

Компьютерная обучающая программа «Открытая физика».

Темы докладов и рефератов

1. История развития нанотехнологии, основные
этапы.

2. Устройство АСМ, демонстрация изображений
атомных структур, полученных на АСМ (поверхность
кремния; «загон для скота», демонстрирующий волно
вую природу электронов на поверхности меди и др.).

3. Зонная структура углеродных нанотрубок и их
электрические свойства.

4. Использование биологических объектов при полу
чении наноструктур и нанодвигателей.

5. Новые методы записи и считывания информации
на основе нанотехнологии.

6. Наносенсоры — достижения и перспективы.

7. Нобелевские лауреаты в области нанотехнологии.

8. Квантовые эффекты в наноструктурах.

9. Новая парадигма получения структур и материалов
«снизу вверх».

Программа элективного курса «Физика в биологии и медицине»

(68 часов)

Авторы: Е. Б. Петрова, Н. С. Пурышева

Пояснительная записка

Элективный курс адресован учащимся 10—11 классов естественнонаучного (биолого-химического, медицинского и т. п.) профиля. Курс рассчитан на 68 часов (1 час в неделю) в каждом классе и проводится за счет часов школьного компонента учебного плана. Курс может проводиться также во втором полугодии 10 класса и в первом полугодии 11 класса по 2 часа в неделю.

Целесообразность изучения предлагаемого курса обусловлена значением знаний по биофизике, медицинской и биологической физике и биологии не только для учащихся, планирующих поступление в вузы соответствующих профилей для успешного последующего в них обучения, но и каждого человека для понимания процессов, происходящих в живом, в том числе человеческом организме, и успешного управления этими процессами.

Живые системы отличаются многообразием и имеют очень сложную структуру. Различные уровни организации таких систем могут быть выделены на основе различных критериев. Самым распространенным является выделение уровней организации живых систем на основе критерия масштабности.

Молекулярный уровень составляет предмет изучения молекулярной биологии. Важнейшей проблемой на этом уровне является изучение механизмов передачи генной информации и ее практическое использование при помощи генной инженерии и биотехнологии.

Клеточный и субклеточный уровни отражают процессы функционирования клеток и внутриклеточные механизмы.

Организменный и органно-тканевый уровни описывают строение, физиологию, поведение и индивидуальность отдельных особей, функции и строение органов и тканей живых существ.

Популяционно-видовой уровень ограничивается рассмотрением особей одного вида, свободно скрещивающихся между собой. Этот уровень составляет ядро исследований эволюции живого, его исторического развития.

Сообщества различных видов, занимающие отдельные участки Земли с определенным составом живых и неживых организмов, составляют уровень биогеоценозов.

Биосферный уровень включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей их природной средой.

Само понятие «структурные уровни» организации живого предложили еще в 1920-е гг. американские философы Г. Браун и Р. Солларс. Кроме различий по классам сложности и закономерностям функционирования, они выдвинули идею иерархической соподчиненности уровней вхождения каждого последующего в предыдущий с образованием единого целого.

Основная цель элективного курса — формирование у учащихся представлений о единстве природы и наук о ней, представлений о том, что физические законы лежат в основе химических и биологических методов исследования, о том, что физические методы широко применяются в биологических и химических исследованиях, в медицинской практике. Достижение этой цели позволит показать общность законов, применимых к явлениям живой и неживой природы.

В соответствии с этой целью в процессе изучения данного элективного курса создаются условия для решения следующих образовательных задач:

углубление и расширение знаний учащихся по механике, термодинамике, электродинамике, оптике;

приобретение умений: планировать эксперимент; отбирать приборы для выполнения эксперимента; выполнять эксперимент; применять математические методы к решению теоретических задач;

приобретение учащимися информационных и коммуникативных умений;

развитие творческих способностей учащихся, формирование у них исследовательских умений, интереса к естественнонаучному познанию.

Содержание курса согласовано с государственными стандартами общего среднего образования и примерными программами по физике для базового уровня и предполагает изучение и сравнительный анализ физических процессов, происходящих в различных объектах живой природы. Иллюстрируется и доказывается общность и универсальность физических законов. Это дает учащимся возможность осознать место человека в окружающем мире. У них формируется общая система знаний о мире, отражающая взаимосвязь различных форм движения материи на основе межпредметных связей физики и биологии, физики и медицины. Дается представление о современных медицинских диагностических и терапевтических методиках, в основе которых лежат достижения современной физики. Лабораторные работы, выполняемые в элективном курсе, в основном посвящены изучению физических возможностей человека и учат школьников более осознанно применять на практике физические законы.

Содержание курса

10 класс

Введение

(4 ч)

Значение для человека знаний по биологии, биофизике и медицинской и биологической физике. Исторические межнаучные связи: физики и медицины, физики и биологии (примеры деятельности известных ученых: Ньютона, Юнга, Гельмгольца и др.).

Место человека в биосфере. Управление в системе «Человек» как в физической системе.