Lekcja Nauki: ziemia, Woda, Powietrze i ogień
starożytni Grecy wierzyli, że istnieją cztery żywioły, z których składa się wszystko: ziemia, woda, powietrze i ogień. Teoria ta została zaproponowana około 450 p. n. e., a później została poparta i dodana przez Arystotelesa.
(Arystoteles zasugerował również, że istnieje Piąty element, eter, ponieważ wydawało się dziwne, że gwiazdy będą wykonane z pierwiastków ziemskich., Zdziwiłby się, gdyby dowiedział się, że w rzeczywistości składają się one z wielu elementów znalezionych na ziemi i są tak gorące, że można powiedzieć, że cały czas się palą!)
idea, że te cztery żywioły-ziemia, woda, powietrze i ogień-tworzą całą materię, była podstawą filozofii, nauki i medycyny przez dwa tysiące lat (dzieci uwielbiają zadawać pytania na temat żywiołów).
elementy były „czyste”, ale nie mogły być znalezione w tym stanie na ziemi. Każda widzialna rzecz składała się z jakiejś kombinacji ziemi, wody, powietrza i ognia.,
cztery żywioły zostały nawet użyte do opisania czterech temperamentów, jakie człowiek może mieć, a Hipokrates użył czterech żywiołów do opisania czterech „humorów” znalezionych w ciele. Teorie te stwierdzały, że temperamenty i humory muszą być ze sobą w równowadze, aby osoba była dobrze zarówno psychicznie, jak i fizycznie.
chociaż wiemy teraz, że te poprzednie teorie są fałszywe, w pewien sposób cztery elementy zgadzają się z czterema Stanami materii, które współczesna nauka zgodziła: ciałem stałym (Ziemia), cieczą (woda), gazem (powietrze) i plazmą (ogień).,
chociaż Grecy wierzyli, że cztery żywioły są niezmienne w naturze, wszystko składa się z różnych elementów, które były trzymane razem lub odpychane przez siły przyciągania i odpychania, powodując, że substancje wydają się zmieniać. Jest to podobne do tego, co naprawdę dzieje się z pierwiastkami i wszystkimi cząsteczkami na poziomie atomowym.
Materia to wszystko, co ma masę i objętość i składa się z atomów, które są najmniejszymi cząstkami materii. Wiązanie zachodzi między atomami, tworząc większe cząsteczki. (Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o klejeniu.,) Masa to ile materii znajduje się w obiekcie, natomiast objętość to ile przestrzeni zajmuje obiekt. Sposób ułożenia atomów w obiekcie określa, czy jest to ciało stałe, ciecz, gaz czy plazma.
- w bryle, atomy są pakowane ściśle razem w uporządkowany wzór i nie mogą się poruszać, nadając bryle określonej objętości i kształtu. Przykładami ciał stałych są skały, drewno, metal i lód.
- w cieczy atomy są blisko siebie, ale mogą poruszać się wokół siebie. Dzięki temu ciecz może przybrać kształt dowolnego pojemnika, w którym jest umieszczona., Przykładami cieczy są woda o temperaturze pokojowej, rtęć o temperaturze pokojowej i gorąca lawa (stopiona skała).
- w gazie jest więcej przestrzeni między atomami. Atomy mogą poruszać się tak swobodnie, że jeśli gaz nie zostanie uwięziony w pojemniku, Atomy będą dyfundować i rozprzestrzeniać się po atmosferze. Przykładami gazów są tlen i azot( w powietrzu, którym oddychamy), Hel i para wodna (para wodna).
- w plazmie atomy są rozmieszczone podobnie jak gaz, z tym, że w plazmie jest tyle energii, że atomy faktycznie dzielą się na mniejsze części., Plazmy są w stanie przenosić prąd elektryczny i wytwarzać pola magnetyczne. Przykładem plazmy jest błyskawica, wiatr słoneczny, słońce, światła fluorescencyjne i neony.
Temperatura odgrywa ważną rolę w tym, jak atomy są wyrównane w substancji. Zgodnie z ogólną zasadą, im zimniejsza jest materia, im bliżej atomy są do siebie, a im cieplejsza jest materia, tym dalej atomy są od siebie oddalone. Oczywiście, temperatura, w której Materia jest ciałem stałym lub cieczą zależy od tego, z jakiej substancji jest zrobiona., Na przykład woda w temperaturze pokojowej jest cieczą, podczas gdy skała w temperaturze pokojowej jest stała.
Lekcja Nauki: cztery żywioły w życiu codziennym
pierwszy żywioł: Ziemia
ziemia jest pełna różnorodnych skał i minerałów, które zapewniają glebę do uprawy roślin i podtrzymywania życia. Dwa najczęstsze pierwiastki w skorupie ziemskiej to tlen (46%) i krzem (28%). Z tego powodu najobficiej występującym minerałem w skorupie ziemskiej jest krzemionka (dwutlenek krzemu). Szerzej znany jako piasek, krzemionka jest głównym składnikiem szkła. Jak szkło może być wykonane z piasku?, Co ciekawe, gdy krzemionka jest podgrzewana, topi się i staje się szkłem, twardniejąc w miarę chłodzenia.
bogate złoża rud metali znajdują się w całej skorupie ziemskiej. Podczas gdy te metale są używane do produkcji maszyn, narzędzi, budynków i broni, prosto z ziemi te metale są dość bezużyteczne. Ogień służy do podgrzewania, udoskonalania i kształtowania metalu, dzięki czemu można z niego wytwarzać maszyny, młoty i belki nośne.
łatwo jest myśleć, że ziemia jest solidnym brudem na wylot, ale w rzeczywistości składa się z kilku warstw., Podczas gdy wiele z tych warstw jest stałych, warstwa otaczająca rdzeń nazywana jest cieczowym rdzeniem zewnętrznym. Jest tak gorąco wewnątrz ziemi, że skała w tej warstwie faktycznie stopiła się. Stały rdzeń wewnętrzny jest tak samo gorący jak otaczająca go płynna warstwa, ale ciśnienie na rdzeń wewnętrzny jest tak duże, że naukowcy uważają, że jest on „wciśnięty” w ciało stałe.
drugi Element: woda
woda ma wiele unikalnych właściwości. Wzór chemiczny wody to H20, co oznacza, że składa się z dwóch atomów wodoru połączonych z jednym atomem tlenu., Atomy wodoru przyłączają się do jednej strony atomu tlenu i mają ładunek dodatni, podczas gdy atom tlenu ma ładunek ujemny. To polaryzuje cząsteczkę wody, podobnie jak magnes, dając cząsteczce wody dodatnie i ujemne końce.
ponieważ przeciwne ładunki przyciągają, cząsteczki wody mają tendencję do „przyklejania się” do siebie. Daje to napięcie powierzchniowe wody i pozwala przedmiotom, takim jak spinacze, unosić się na niej.
chociaż nie może rozpuścić wszystkiego, woda jest znana jako uniwersalny rozpuszczalnik, ponieważ może rozpuścić więcej substancji niż jakikolwiek inny płyn., Może rozpuszczać sól, cukier, kwasy, zasady, niektóre gazy i materiał organiczny.
woda podróżująca przez twoje ciało lub przez ziemię zabiera ze sobą chemikalia, minerały i składniki odżywcze. Zdolność wody do rozpuszczania substancji pomaga utrzymać planetę w zdrowiu. Od ponad wieku spalanie paliw kopalnych pompuje duże ilości dwutlenku węgla (CO2) do atmosfery. Woda w oceanach wchłonęła około połowy tego CO2 rozpuszczając gaz z powietrza i przetwarzając go przez roślinność morską.,
woda ma wysoki współczynnik ciepła właściwego, co oznacza, że potrzeba dużo energii, aby zmienić jej temperaturę. Jest to niezbędne do przetrwania życia na planecie. Obfitość wody na ziemi utrzymuje planetę w bardzo krótkim, ale komfortowym zakresie temperatur. Średnia temperatura powierzchni Ziemi wynosi 59 ° F z najwyższą zanotowaną temperaturą 135,9 ° F i najniższą zanotowaną temperaturą -128,6 ° F.
dla porównania, logiczne wydaje się, że Merkury, najbliższa planeta słońca, pozostanie naprawdę ciepły na wszystkich powierzchniach planety, niezależnie od tego, czy jest zwrócona ku słońcu, czy nie., Jednak, podczas gdy powierzchnia zwrócona ku słońcu osiąga bardzo ciepłe temperatury( do 800 ° F), powierzchnia zwrócona ku słońcu spada do chłodnego -280 ° F. brak wody Merkurego jest odpowiedzialny za tę drastyczną zmianę temperatury, ponieważ suchy materiał, który tworzy jego powierzchnię, nie może utrzymać ciepła tak jak woda.
aby przekonać się, jak dobrze woda utrzymuje temperaturę przed drastycznymi wahaniami, zwróć uwagę na zmianę temperatury w ciągu dnia i w nocy przy następnej wizycie w morskim (w pobliżu oceanu) lub pustynnym klimacie., Prawdopodobnie zauważysz, że zmiany temperatury w pobliżu oceanu są niewielkie lub wcale, podczas gdy na pustyni występują znaczne zmiany temperatur w ciągu dnia i nocy.
Ten wysoki współczynnik ciepła właściwego pomaga również wodzie ugasić ogień poprzez chłodzenie powierzchni paliwa, które ogień się pali, usuwając ciepło potrzebne do pożaru. Woda również tłumi ogień, uniemożliwiając mu uzyskanie tlenu, którego potrzebuje do spalania.,
trzeci pierwiastek: powietrze
powietrze było uważane za „czysty” pierwiastek, ale w rzeczywistości powietrze, które jest wokół nas, składa się z różnych gazów: głównie azotu i tlenu, z prawie 1% argonu i jeszcze mniejszych ilości dwutlenku węgla i innych pierwiastków, takich jak krypton i hel. Skład powietrza jest odpowiedni dla życia na Ziemi.
zużywamy dużo tlenu, który dostajemy z powietrza, a następnie wydychamy dwutlenek węgla – który rośliny potrzebują do produkcji żywności poprzez fotosyntezę. Rośliny z kolei wydzielają tlen podczas fotosyntezy.,
chociaż powietrze jest niewidoczne (i przez większość czasu zapominamy, że nawet tam jest), zajmuje przestrzeń, ma objętość i wywiera ciśnienie. Widać to, gdy bierzesz „pustą” szklankę, odwracasz ją do góry nogami i próbujesz zepchnąć ją na dno zlewu pełnego wody.
(możesz zobaczyć, jak powietrze rozszerza się po podgrzaniu i kurczy się po ochłodzeniu dzięki temu projektowi egg-in-a-bottle.)
gdyby szklanka była naprawdę pusta, woda z łatwością wypełniłaby wnętrze szklanki. Ale powietrze jest tam i tylko niewielka ilość wody może dostać się do szklanki., Powietrze w szkle zostało sprężone, dając wodzie trochę miejsca, które wcześniej zajmowało powietrze.
dobrze, że powietrze wypełnia pustą przestrzeń, ponieważ powietrze wokół nas właściwie cały czas naciska na nas. Zawalilibyśmy się pod ciężarem powietrza, z tym, że powietrze jest również w nas i wywiera ciśnienie, które równoważy ciśnienie wywierane przez powietrze zewnętrzne.
czwarty Element: ogień
Jak działa ogień? Jest ściśle związana z powietrzem. Ogień potrzebuje trzech rzeczy, aby istnieć: tlenu, paliwa i ciepła.,
intensywność pożaru jest różna, ponieważ zależy od dostępnego tlenu, paliwa i ciepła. Gdy wszystkie trzy z tych rzeczy znajdują się w kontrolowanej sytuacji, takiej jak świece lub ognisko, pożary są uważane za pomocne. Ale kiedy jedna lub więcej z tych rzeczy nie jest kontrolowana, na przykład w pożarze lub płonącym budynku, pożary mogą łatwo stać się bardzo niebezpieczne.
aby ugasić pożar, należy usunąć tlen, paliwo lub ciepło. „Duszenie” ognia poprzez umieszczenie na nim koca lub brudu działa, ponieważ ogień gaśnie bez tlenu., Ziemia dostarcza obfitość paliwa w postaci drewna i paliw kopalnych, takich jak węgiel. Po usunięciu paliwa ogień nie ma już nic do spalenia i gaśnie. Woda często służy jako skuteczne źródło chłodzenia, usuwając ciepło z ognia. Jest to widoczne, gdy gorąca lawa z erupcji wulkanu wchodzi do oceanu lub gdy wiadro wody jest wyrzucane na ognisko.
ogień wytwarza światło, ciepło i dym w wyniku szybkiej reakcji chemicznej zwanej spalaniem. Dym jest wynikiem niepełnego spalania (spalania) paliwa. Cząstki, które nie zostały spalone, zostają zawieszone w powietrzu., Dym jest często niebezpieczny, ponieważ zawiera szkodliwe gazy, które mogą zatruć osobę, która wdycha zbyt dużo dymu.
Możesz być zaskoczony, wiedząc, że nasze ciała również wykorzystują „spalanie” do produkcji energii z tlenu i żywności w procesach metabolicznych. Potrzebujemy stałego dopływu tlenu, aby nasze ciała działały normalnie; jeśli jest za mało tlenu w powietrzu, udusimy się. Jednocześnie możemy być wdzięczni, że w powietrzu nie ma więcej tlenu, albo reakcje chemiczne w naszym ciele przyspieszą, powodując, że wkrótce „rozbijemy się i spłoniemy”!,
zbyt duża ilość tlenu w powietrzu zwiększyłaby również ryzyko pożarów na ziemi. Ponieważ azot i argon nie są zbyt reaktywne, powietrze jest dla nas dość bezpieczne.
projekty naukowe: odkrywanie czterech żywiołów
zrób gaśnicę
aby ugasić pożar, należy usunąć z niego jedną z trzech rzeczy: ciepło, paliwo lub tlen. Wiedząc o tym, strażacy nie zawsze używają wody do gaszenia pożaru.,
czego potrzebujesz:
- pusta butelka sody
- 5 łyżek octu
- 1/2 łyżki sody oczyszczonej
- świeca do herbaty
co robisz:
- zapal świecę.
- do butelki wlać ocet i dodać sodę oczyszczoną. (Możesz użyć lejka.) Mieszaninę należy gazować.
- przytrzymaj butelkę bokiem nad zapaloną świecą, upewniając się, że żaden płyn nie ucieka. Co się dzieje z płomieniem?
co się stało:
soda oczyszczona i ocet reagują na dwutlenek węgla, gaz, który jest cięższy od tlenu., Gdy „wylewa” się z butelki, wypycha lżejszy tlen od świecy. Ogień, pozbawiony tlenu, nie może się już palić.
woda jest często nazywana uniwersalnym rozpuszczalnikiem, ponieważ może rozpuścić więcej substancji niż jakikolwiek inny płyn, często niosąc ze sobą te rozpuszczone cząstki. Kiedy woda przemieszcza się przez glebę, składniki odżywcze (żywność) i rozpuszczone cząstki podróżują z wodą, aby zdeponować ją gdzieś indziej. Oto eksperyment, który wizualnie zademonstruje, jak przebiega ten proces.,
czego potrzebujesz:
- 1/2 szklanki suchej gleby
- 1/2 łyżeczki niebieskiej sproszkowanej farby tempera
- Lejek
- słoik z szerokim otworem (w którym może spoczywać lejek)
- filtr do kawy
- kubki lub pojemniki
- woda
- miarka
co robisz:
- dokładnie wymieszaj suchą glebę i farbę tempera. Umieść lejek w słoiku i umieść filtr do kawy w lejku. Wlać mieszaninę gleby do lejka.
- powoli wlać 1/2 szklanki wody do lejka, obserwując, jak woda wypływa z lejka do słoika., Zwróć uwagę na kolor wody.
- wyjąć lejek ze słoika i wlać wodę do kubka lub pojemnika. Zastąp lejek nad słoikiem, a filtr do kawy wypełniony piaskiem nadal jest na miejscu.
- powtórz kroki 2 i 3 ze świeżą 1/2 szklanki wody kilka razy, oszczędzając wodę w nowej filiżance po każdym nalaniu.
co się dzieje:
zauważysz, że gdy pierwsza połowa szklanki wody przeszła przez glebę, wyszła jako bardzo ciemnoniebieski kolor. Jednak woda wychodziła lżejsza z każdym dodatkowym kubkiem., W końcu woda podróżująca przez glebę wyszła czysta w słoiku. Policzyłeś, ile pół szklanek wody potrzeba, aby woda była czysta?
farba tempura w tym eksperymencie reprezentuje składniki odżywcze i rozpuszczone cząstki znajdujące się w glebie. Woda jest bardzo wydajnym nośnikiem cząstek, o czym świadczy kolor wody, która została wylana przez glebę. Gleba zaczynała się od stosunkowo dużej ilości składników odżywczych i cząstek-farby tempura., Woda przepływająca przez glebę była w stanie zebrać dużą część „składników odżywczych” i przenosić je ze sobą przez lejek. Każde kolejne wylewanie wody pobierało więcej składników odżywczych. Z każdym nalewaniem, pozostałe składniki odżywcze stawały się coraz mniejsze, dopóki woda nie była czysta i nie było już więcej składników odżywczych, które mogły podróżować z wodą.,
GODNY UWAGI Naukowiec: George Gabriel Stokes, 1819-1903
George Gabriel Stokes był wybitnym brytyjskim matematykiem w XIX wieku, ale w całej swojej karierze podkreślał znaczenie eksperymentów i rozwiązywania problemów, a nie skupiał się wyłącznie na matematyce.
eksperymentując i stosując matematykę do fizyki, Stokes wymyślił prawo opisujące ruch ciała stałego przez ciecz lub gaz. Znane jako prawo Stoke ' a, to prawo lepkości ustanowiło naukę hydrodynamiki., Prawo Stoke ' a wyjaśnia ruch chmur, ruch fal i odporność wody na ruch statków.
większość prac Stoke ' a kręciła się wokół fal (dźwięku, światła i wody) i tego, jak poruszają się one w różnych mediach, takich jak woda i gaz. Eksperymentował z tym, jak wiatr wpływa na intensywność dźwięku i jak na intensywność wpływa rodzaj gazu, przez który przechodzą fale dźwiękowe. Nazwał i wyjaśnił fluorescencję oraz zbadał falową teorię światła., Pracował również nad zrozumieniem różnych kolorowych pasm, które można zobaczyć w spektrum i wniósł znaczący wkład w to, co wiemy o świetle i optyce.
Stokes jest często porównywany do Sir Isaaca Newtona, ponieważ istnieje wiele podobieństw między życiem Stoke ' a a życiem Newtona: obaj mieli przełomowe odkrycia, opracowali prawa ruchu, badali światło i optykę, sprawowali tę samą prestiżową Lucasian Chair of Mathematics na Uniwersytecie Cambridge i służyli w Parlamencie.
Fantastyczne fakty
Ziemia
większość kamieni szlachetnych zawiera kilka elementów., Wyjątek? Diament. To tylko węgiel.
który z 50 stanów nigdy nie miał trzęsienia ziemi? Północna Dakota.
Obwód równikowy Ziemi (40 075 km) jest większy niż jego obwód polarny (40 008 km).
szacuje się, że Ziemia waży 6,6 Tony, czyli 5,97 x 1024 kg. Dla porównania, milion to 1 z 6 zerami po nim – sekstylion to 1 z 21 zerami po nim. (1,000,000,000,000,000,000)
woda
cal wody deszczowej odpowiada 15 calom suchego, sproszkowanego śniegu.,
najgłębsza część oceanu ma głębokość 35 813 stóp (10 916 metrów) i występuje w rowie Mariańskim na Oceanie Spokojnym. Na tej głębokości ciśnienie wynosi 18 000 funtów (9172 kilogramów) na cal kwadratowy.
ludzki mózg to 80% wody.
powietrze
8-12 mil nad ziemią poruszają się rzeki powietrza zwane strumieniami odrzutowymi. Kilka mil szerokości i 1-2 Mil głębokości, te prądy powietrza mogą mieć prędkość wiatru do 250 mil na godzinę. Dla kontrastu, najsilniejsze huragany mają prędkość wiatru pomiędzy 150-200 mil na godzinę.,
ogień
piorun jest około 5000 °F (~2800 °c).
centrum Słońca znajduje się około 27 milionów stopni Fahrenheita (15 milionów °c).
elementy połączone
gdy Wodór płonie w powietrzu, powstaje woda.
tlen jest najliczniejszym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej, wodach i atmosferze (około 49,5%).
dźwięk przemieszcza się około 4 razy szybciej w wodzie niż w powietrzu.
wiatr i woda powodują erozję ziemi, przenosząc duże ilości piasku i skał, aby zburzyć góry i zbudować nowe struktury.,
Czytaj dalej
- Wprowadzenie do światła
- energia Słoneczna
- Zidentyfikuj skały& minerały