Мастер класс по разработке и созданию 3D модели атома

МАСТЕР-КЛАСС «3Д модель атома»

Учитель информатики: Добрый день уважаемые коллеги.

В современном мире происходит интенсивное изменение окружающей жизни, активное проникновение научно-технического прогресса во все сферы жизнедеятельности.  Одним из наиболее перспективных методов обучения является моделирование, поскольку мышление человека отличается предметной образностью и наглядной конкретностью метод моделирования открывает ряд дополнительных возможностей в ознакомлении с окружающим миром.

Моделирование на современном этапе приобрело значение общенаучного метода. Его особенностью является то, что для изучения исходного объекта исследования используется объект-заместитель – модель.

По мнению большинства химиков и физиков, теоретическое моделирование является основным методом и способом познания мира. Сущность химических и физических явлений скрыта от непосредственного наблюдения исследователя, поэтому познание осуществляют путем построения модели невидимого объекта по косвенным данным.

Сегодня мы изучим и апробируем компьютерные программы для построения виртуальных моделей атомов, которые позволят понять строение вещества.

Учитель физики: Атомный мир огромен, богат и порою опасен. Он состоит из множества миров, как наша Вселенная состоит из множества Галактик. В мире все состоит из атомов - этих маленьких вселенных. В повседневной жизни нам не приходится иметь дело с отдельными атомами. Эх, увидеть бы атомы! Умозрительно! Мы многое "видим" умозрительно, почему бы не увидеть атом? Хотя бы в воображении мы можем это сделать.

• Мотивация (привлечение внимания)

Учение об атомах стало важнейшей областью физики. Мир атома никто не видел, но, тем не менее, он реален. Много проблем ставит перед нами жизнь. Одни решаются очень легко. Над другими человечество бьется тысячи лет. А знаете, над каким вопросом: “Как устроен мир?”, “Из чего все состоит?” - это те детские вопросы, на которые труднее всего ответить. И мы с вами в течение занятия должны ответить на эти вопросы и создать свою модель строения атома.

• Реализация.

Для этого мы должны найти факты подтверждения сложного строения вещества и в конечном итоге атома. Я вам раздаю карточки, с помощью которых мы и попытаемся сформулировать эти факты. (соотнесите между собой по два факта, и подберите к ним вывод)

Объяснение фактов:

1. Химические реакции: C+O₂=CO_2.

2. Вода --пар.

3. Электризация.

4. Земле 4,5 млрд. лет.

5. Фотография кристаллическая решетки золота (учебник 7 класса).

1. Химические реакции говорят о существовании атомов, входящих в состав вещества.

2. Испарение свидетельствует о делимости вещества.

3. Процесс электризации трением объясняет существование двух видов зарядов, а также тот факт, что атом электронейтрален.

4. Атом существует длительное время (он стабилен).

5. Маленькие шарики – это атомы. Он занимает место в пространстве.

Выводы:

• Вещество – молекула – атом - ?

• Атом электронейтрален.

• Суммарный отрицательный заряд электронов равен суммарному положительному заряду.

• Атом имеет массу

• Атом имеет размер

Учитель физики: Итак, мы выяснили, что атом должен быть электронейтральным, но мы точно знаем, что в его состав входят отрицательные электроны,

 вывод: внутри атома есть и положительно заряженные частицы.
У любой идеи всегда есть автор, родитель, это чаще всего беспокойные, необыкновенно пытливые и безгранично любопытные люди, которые упорно выискивают себе проблемы. Сейчас каждый из вас пройдет также этап родителя идеи. Вы все получите распечатки с описанием модели строения атома так называемых родителей (Резерфорд, Томсон, Чедвик), а теперь объединитесь в группы по авторам. (В таблице приведены тексты для каждой группы, портреты ученых на доске.)

Учитель физики:. Сначала каждый из вас внимательно читает текст.
У вас на столе есть набор оригами: кружки трех цветов, большой белый лист (А2), ножницы, клей и фломастеры. По описанию в тексте создайте модель атома на большом листе.
Расскажите у доски о своей модели другим группам:

(Каждая группа представляет свою модель у доски, предварительно прикрепив ее, по плану.)
План рассказа о модели

1.Автор модели

2.Что представляет из себя представляет атом.

3. Какие частицы входят в состав атома 

Перед нами три модели, которые созданы по описанию ученых.
А сейчас сравним каждую модель с реальной моделью атома (Компьютер – анимационная модель атома). Найдем ошибки или недочеты в ваших созданных моделях.
Итак, что мы можем сказать?

Атом состоит из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Заряд протона равен по модулю заряду электрона. Нейтрон не имеет заряда. Масса протона приблизительно равна массе нейтрона.

Если вы хотите создать модель определенного элемента, взгляните на периодическую таблицу Менделеева: у каждого элемента в таблице есть атомный номер. Например, водород – это элемент с номером 1, а кислород – с номером 8. Атомный номер – это количество протонов в атоме ядра этого элемента, следовательно, он показывает и число электронов, т.к. атом в целом нейтрален. А число нейтронов, входящих в ядро можно найти таким образом: из массового числа вычесть число протонов. Атомный номер углерода – 3 – число протонов 3, число электронов 3, а число нейтронов найдем, если вычтем из 7-3=4

ядро каждого атома состоит из протонов и нейтронов. Сделайте ядро, прикрепив друг к другу протоны и нейтроны. Возникает следующий вопрос: где же находятся электроны?

Электроны вращаются вокруг ядра. Каждый электрон несет отрицательный электрический заряд, который отталкивает другие электроны, поэтому в большинстве моделей электроны показаны как можно дальше друг от друга. Кроме того, расстояние между электронами от ядра организовано в «оболочки», содержащие определенное количество электронов. Внутренняя оболочка вмещает максимум два электрона. Вы можете использовать диаграмму конфигурации электронов, чтобы определить, как и сколько электронов поместить на электронных оболочках. Литий имеет 2 электрона во внутренней оболочке и 1 электрон в следующей оболочке.

Задание каждой группе: - создать бумажную модель атома лития;

Вывод: Каждый из вас создал модель строения атома. Так что же мы узнали?

1. Вещества состоят из молекул, молекулы из атомов, атомы из ядра, вокруг которого вращаются электроны.

2. Ядро в свою очередь состоит из протонов и нейтронов.

3. Протоны заряжены положительно, электроны отрицательно.

4. В атоме число электронов равно числу протонов.

Учитель информатики: Для различных явлений и процессов бывают уместными разные способы моделирования с целью исследования и познания.

Объект, который получается в результате моделирования и называется моделью.

Компьютер является хорошим инструментом для создания и исследования моделей, но он их не придумывает. Абстрактный анализ окружающего мира с целью воссоздания его в модели выполняет человек.

За относительно короткое время компьютерные технологии уверенно завоевали наш мир. Для многих сегодня просто немыслимо отказаться от новых технологических новшеств, ставших необходимостью для человечества. То, как работает трехмерный принтер, недавно было вне досягаемости для большинства пользователей, сегодня технология доступна каждому желающему. Благодаря этому устройству фантастика становится реальностью. На что способен 3Д принтер? Так ли он необходим человеку?

Такую не сложную модель атома Лития возможно реализовать с помощью инструментальной программы 3d builder (3D билдер). Данная программа является общедоступной, бесплатной и легко освояемой. 3D Builder – популярная программа для подготовки моделей к печати на 3D-принтере. На практике она представляет собой небольшой редактор для создания трехмерных моделей.  Её можно порекомендовать как начинающим 3D-моделлерам, а также тем пользователям, которым часто приходится распечатывать различные изделия на 3D-принтере.

Работа в парах:

Запускаем программу и приступаем к созданию модели атома на компьютере. Рассмотрим существующие модели: ядро атома, обычно располагается в центре модели; электрон как правило движущийся объект, двигается по стационарной орбите вокруг ядра.

ИНСТРУКЦИЯ Создания 3D модели атома:

Наша с вами модель готова, сохраняем её в формате(стил). Это требуется для того, чтобы в дальнейшем с ней работать в программе CURA(кура) Cura — это слайсер 3D-моделей с открытым исходным кодом для 3D-принтеров.

Переходим в программу CURA(кура). Видим так же 3D поле на котором мы будем работать по осям (x, y,z), находим и загружаем нашу модель. Проверяем модель, что она не выходит за рамки поля (размер которого 20 на 20 см), если нужно уменьшаем размер нашей модели до нужных и видим, что она становится из серой желтой)

Вот она загрузилась, мы видим что она желтого цвета. Поворачиваем её по ориентации для печати на принтере.

Мы видим время сколько будет печататься наша модель-атома; сколько потребуется для этого пластика и сколько она будет весить. С права видим разделы по слоям.

Сохраним нашу модель на флеш-карту

Готовим принтер к печати.

Включаем.

Видим Меню в котором есть множество различных команд.

Главная наша команда температура экструдера и температура стола: подготовка принтера к печати мы видим, что температура стола 70⁰С, экструдера 180⁰С – это достаточно хорошо, значит принтер готов к печати.

Берем магнитное покрытие и наносим канцелярский клей на магнитную поверхность, это требуется для того, чтобы пластик для печати лучше приклеился к поверхности стола и не отклеился во время печати. Есть одна особенность в составе канцелярского клея должны присутствовать глицирин и вода (т.е. пивитиклей).

Технология 3D печати

Трёхмерная или 3D печать представляет собой послойное создание физического объекта на базе виртуальной трёхмерной модели. Печать происходит из нескольких сотен и даже тысяч слоев на специальном устройстве - 3D-принтере. 3D-принтером называют устройство вывода трехмерных данных, он от обычного принтера, который выводит двухмерную информацию на лист, тем, что позволяет выводить трехмерную информацию (сразу в трех измерениях) по принципу послойного выращивания физической модели, как правило, снизу-вверх. В свою очередь 3D-печатью называют процесс создания физических объектов из цифровых 3D-моделей, созданных путем трехмерного моделирования в любой Системой автоматизированного проектирования (САПР или CAD-программе).

Технология трёхмерной печати ведёт свою историю с 1948 года, когда американец Чарльз Халл разработал технологию послойного выращивания физических трёхмерных объектов из фотополимеризующейся композиции (ФПК).

Патент на своё изобретение автор получил только в 1986 году, тогда же он основал компанию 3D System и приступил к разработке первого промышленного устройства для трёхмерной печати, которое было представлено общественности год спустя, в 1987 году. Так как термин «3D принтер» ещё не был введён в оборот, аппарат Чарльза Хала получил название «установка для стереолитографии».

Материалы для 3D печати могут быть самыми разными от так называемого ABC-пластика до шоколада.

Возможности 3D печати безграничны. Современные трёхмерные печатающие устройства научились создавать не только предметы обихода и одежду, но и собственные детали, продукты питания, человеческие ткани и органы.

К достоинствам такого изготовления деталей относится не только скорость, но и сравнительно низкая стоимость деталей, а это - главная цель.

Способы получения трехмерных моделей. 3D сканер.

Как уже говорилось ранее, трехмерная (3D) печать заключается в печати объемных трехмерных моделей из нескольких сотен и даже тысяч слоев.

Трехмерную модель, которую нужно будет распечатать можно получить тремя способами:

скачать готовую модель, например, из интернета;

нарисовать с нуля полноценную трехмерную модель;

отсканировать существующий объект.

Отсканировать объект можно с помощью 3D сканера, который представляет собой специальное устройство. 3D сканер анализирует определённый физический объект или же пространство, чтобы получить данные о форме предмета и, по возможности, о его внешнем виде (к примеру, о цвете). Собранные данные в дальнейшем применяются для создания цифровой трехмерной модели этого объекта.

Используемые материалы для изготовления 3D моделей

ABC-пластик. АBC-пластик известен как акрилонитрилбутадиенстирол. Это один из лучших расходных материалов для 3D печати. Такой пластик не имеет запаха, не токсичен, ударопрочен и эластичен. Температура плавления АВС-пластика составляет от 220^оС до 248^оС. Он поступает в розничную продажу в виде порошка или тонких пластиковых нитей, намотанных на бобины.

3D модели из АВС-пластика долговечны, но не переносят прямой солнечный свет. С помощью такого пластика можно получить только непрозрачные модели.

Вот и закончилась печать, посмотрим какой результат, аккуратно достаем нашу магнитную поверхность и отделяем напечатанную деталь