Модуль 1. Естественнонаучные основы представлений об окружающей действительности

И гляжу я, смеясь, как теснятся, роясь

Миллионы огненных пчелок.

Шелли. Облако

Тема 4. Основы современных концепций микро- и наномира Лабораторная работа № 4

Использование компьютерного моделирования для изучения структуры и электрических свойств металлов, диэлектриков, полупроводников и различных объектов микро- и наномира

4.1.1. Цели работы

1. Научиться осмысливать окружающую нас действительность путем создания научных достоверных проекций объектов микро- и наномира.

2. Сформировать необходимый для будущей профессии набор различных видов деятельности по компьютерному моделированию электрических свойств материалов, по визуализации с помощью компьютерной графики химических взаимодействий в веществе.

3. Сформировать базовые компетенции обнаруживать в природе, технике, технологиях, быту изучаемые понятия о электронно- полевом устройстве окружающего мира, применять современный научный аппарат естествознания, используемый для характеристики различных веществ и материалов.

4. Сформировать базовые компетенции оперировать фактами, получаемыми посредством современных средств анализа микро и наномира, а также воспроизводимых и визуализируемых с помощью современных средств компьютерного моделирования и компьютерной графики

5. Сформировать простейшие компетенции применять для извлечения требуемой информации о микро- и наномире справочники, научно – техническую литературу, Internet

6. Путем решения заданий и анализа их результатов выработать умения практического использования типовых программных продуктов для оперирования численной информацией при различных способах ее представления.

4.2.1. Самостоятельная работа студентов

Перед выполнением лабораторной работы студенту необходимо:

1. Повторить основные понятия, связанные атомно-молекулярным строением вещества.

2. Вспомнить, а в случае необходимости повторно изучить такие понятия, как химический элемент, строение вещества, периодическая система элементов Д. И. Менделеева..

3. Провести самопроверку эффективности своей теоретической подготовки, ответив на вопросы, приведенные в разделе «Контрольные вопросы».

4. Изучить эксперименты, описания всех способов обработки информации. В результате исполнения этого пункта студент должен уметь объяснять порядок выполнения работы и то, какие результаты он ожидает получить.

5. Подготовить отчет о лабораторной работе.

Надо помнить, что таблицы, результаты исследований помещаются в электронном документе отдельно по каждому пункту задания.

4.3.1. Средства и способы проведения эксперимента

В лабораторной работе экспериментальные исследования выполняется на IBM PC с использованием пакетов программ MATLAB.

4.4.1. Порядок выполнения работы

Вы уже знаете, что вокруг нас, как говорят, в окружающем нас мире, существует в различных формах вещество, и мы погружены в различные скалярные и векторные поля. Вещество мы, как правило, видим в виде целостных образов и можем потрогать его руками. Поле невидимо, но мы опосредовано можем ощутить его существование.

Если мы возьмем в руки увеличительное стекло и начнем рассматривать какой-нибудь предмет, то увидим новые подробности его строения, невидимые обычным взглядом. А если у нас будет предназначенный для получения увеличенных изображений микроскоп, то нам удастся рассмотреть предмет еще более подробно, заглянуть в особый мир, плохо видимый невооружённым глазом, размеры которого составляют доли миллиметра, разглядеть какова структура предметов, выяснить из чего состоят объекты, которые нам кажутся целостными. С помощью микроскопа мы можем увидеть большинство растительных и животных клеток, мелких кристаллов, детали микроструктуры металлов и сплавов.

Сегодня мы «заглянем» в так называемые микромир и наномир, в котором существуют молекулы, атомы, элементарные частицы — в мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов.

Обычный мир, в котором живет и действует человек, называют макромиром. Качественно иную область представляет микро- и наномир, где размеры объектов меньше миллиардных долей сантиметра, а временные промежутки порядка миллиардных долей секунды. Такой мир непосредственно недоступен наблюдению. Однако он характеризуется своеобразием строения материи, пространственно-временных и причинных отношений, закономерностей движения. Так, если в привычном нам макромире материальные объекты имеют либо резко выраженную предметную природу и их движение подчиняется динамическим законам классической механики, то для явлений микромира, напротив, характерна тесная связь корпускулярных и волновых свойств, которая находит свое выражение в статистических законах квантовой механики. Специфика микро- и наномира находит свое отражение и в познании, приводит к ограничению сферы применимости старых физических теорий, к возникновению новых. Сегодня мы попытаемся проникнуть в этот специфический мир, в мир атома.

Эксперимент 1. Изучение основных понятий, связанных с современными представлениями о строении вещества на уровне микромира.

Задание 1.

1. Кратко опишите, что представляет в современном понимании такая сущность, как электрон. Какую форму принимает его движение?

2. Кратко сформулируйте, как характеризуют в настоящее время состояние электрона.