Madame Lelica

vetenskap lektion: jord, vatten, luft och eld

de gamla grekerna trodde att det fanns fyra element som allt bestod av: jord, vatten, luft och eld. Denna teori föreslogs omkring 450 F. kr., och det stöddes senare och tillsattes av Aristoteles.

(Aristoteles föreslog också att det fanns ett femte element, aether, eftersom det verkade konstigt att stjärnorna skulle göras av jordiska element., Han skulle bli förvånad över att lära sig att de faktiskt består av många element som finns på jorden, och är så heta att de kunde sägas vara i brand hela tiden!)

tanken att dessa fyra element – jord, vatten, luft och eld – gjorde upp all materia var hörnstenen i filosofi, vetenskap och medicin i två tusen år (barn älskar att ställa frågor om elementen).

elementen var ”rena” men kunde inte hittas i det tillståndet på jorden. Varje synlig sak bestod av en kombination av jord, vatten, luft och eld.,

de fyra elementen användes till och med för att beskriva de fyra temperament som en person kunde ha, och Hippokrates använde de fyra elementen för att beskriva de fyra ”humors” som finns i kroppen. Dessa teorier uppgav att temperament och humor behövde vara i balans med varandra för att en person skulle vara bra både mentalt och fysiskt.

medan vi nu vet att dessa tidigare teorier är falska, stämmer de fyra elementen överens med de fyra materiens tillstånd som modern vetenskap har kommit överens om: fast (jord), vätska (vatten), gas (luft) och plasma (eld).,

Även om grekerna trodde att de fyra elementen var oföränderliga i naturen, bestod allt av olika element, som hölls ihop eller drevs ihop av attraktionskrafter och avstängning, vilket fick ämnen att verka förändras. Detta liknar vad som verkligen händer med element och alla molekyler på atomnivå.

Materia är allt som har massa och volym och består av atomer, som är de minsta partiklarna av materia. Bindning sker bland atomer för att göra större molekyler. (Klicka här för att lära dig mer om bindning.,) Massa är hur mycket materia är i ett objekt medan volymen är hur mycket utrymme objektet tar upp. Hur atomer är ordnade i ett objekt bestämmer om det är en fast, flytande, gas eller plasma.

• i en fast substans packas atomerna tätt ihop i ett ordnat mönster och kan inte röra sig, vilket ger en fast en bestämd volym och form. Exempel på fasta ämnen är stenar, trä, metall och is.
• i en vätska är atomerna nära varandra men kan röra sig runt varandra. Detta gör det möjligt för en vätska att ta formen av vilken behållare den placeras i., Exempel på vätskor inkluderar rumstemperatur vatten, rumstemperatur kvicksilver och varm lava (smält sten).
• i en gas finns det mer utrymme mellan atomer. Atomerna kan röra sig så fritt att om gasen inte fångas i en behållare, kommer atomerna att diffundera och sprida sig i hela atmosfären. Exempel på gaser är syre och kväve (i luften vi andas), helium och ånga (vattenånga).
• i en plasma är atomerna placerade på samma sätt som gas, förutom att det finns så mycket energi i en plasma, atomerna delas faktiskt i mindre bitar., Plasmas kan bära en elektrisk ström och generera magnetfält. Exempel på plasmas är blixtnedslag, solvind, solen, lysrör och neonskyltar.

temperaturen spelar en viktig roll i hur atomerna är inriktade i ett ämne. Som en allmän tumregel är ju kallare saken är, ju närmare atomerna är till varandra, och ju varmare saken är desto längre är atomerna ifrån varandra. Naturligtvis beror temperaturen vid vilken en fråga är en fast eller en vätska på vilken substans saken är gjord av., Till exempel är vatten vid rumstemperatur en vätska medan en sten vid rumstemperatur är fast.

vetenskaplig lektion: de fyra elementen i vardagen

första elementet: jord

jorden är full av en mängd olika stenar och mineraler som ger jorden att växa vegetation och stödja livet. De två vanligaste elementen i jordskorpan är syre (46%) och kisel (28%). På grund av detta är det mest rikliga mineralet i jordskorpan kiseldioxid (kiseldioxid). Mer allmänt känd som sand, kiseldioxid är en viktig del av glas. Hur kan glas göras av sand?, Intressant, när kiseldioxid upphettas smälter den och blir glas, härdning när den svalnar.

rika avlagringar av metallmalm finns i hela jordskorpan. Medan dessa metaller används vid tillverkning av maskiner, verktyg, byggnader och vapen, rakt ut ur jorden är dessa metaller ganska värdelösa. Eld används för att värma, förfina och forma metall så att maskiner, hammare och stödbalkar kan tillverkas av den.

det är lätt att tänka på jorden som att vara fast smuts genom och igenom, men i verkligheten består den av flera lager., Medan många av dessa lager är fasta kallas skiktet som omger kärnan den flytande yttre kärnan. Det är så varmt inuti jorden att berget på detta lager faktiskt har smält. Den fasta inre kärnan är lika varm som det flytande skiktet som omger det, men trycket på den inre kärnan är så stor att forskare tror att det är ”pressat” i en fast substans.

andra elementet: vatten

vatten har många unika egenskaper. Den kemiska formeln av vatten är H20, vilket innebär att den är gjord av två väteatomer bundna till en syreatom., Väteatomerna fäster vardera på ena sidan av syreatomen och har en positiv laddning medan syreatomen har en negativ laddning. Detta polariserar vattenmolekylen, ungefär som en magnet, vilket ger en vattenmolekyl positiva och negativa ändar.

eftersom motsatta laddningar lockar, tenderar vattenmolekyler att ”hålla” ihop. Detta ger vatten ytspänning och tillåter föremål, såsom papperslipar, att flyta på den.

även om det inte kan lösa upp allt, är vatten känt som det universella lösningsmedlet eftersom det kan lösa upp fler ämnen än någon annan vätska., Det kan lösa upp salt, socker, syror, alkalier, vissa gaser och organiskt material.

vatten som färdas genom din kropp eller genom marken tar kemikalier, mineraler och näringsämnen med den. Vattnets förmåga att lösa upp ämnen hjälper till att hålla planeten frisk. I mer än ett sekel har förbränningen av fossila bränslen pumpat in stora mängder koldioxid (CO2) i atmosfären. Vattnet i haven har absorberat ungefär hälften av denna CO2 genom att lösa upp gasen från luften och bearbeta den med havsvegetation.,

vatten har ett högt specifikt värmeindex, vilket innebär att det tar mycket energi att ändra temperaturen. Detta är viktigt för livet att överleva på en planet. Överflöd av vatten på jorden håller planeten i ett mycket kort men bekvämt temperaturområde. Jordens genomsnittliga yttemperatur är 59 ° F med den högsta inspelade temperaturen 135,9 ° F och den lägsta inspelade temperaturen -128,6 ° F.

för att jämföra, verkar det logiskt att kvicksilver, den närmaste planeten till solen, skulle vara väldigt varm på alla ytor på planeten, oavsett om den stod mot solen eller inte., Medan ytan som vetter mot solen når mycket varma temperaturer (upp till 800 ° F), sjunker ytan vänd bort från solen till en kylig -280 ° F. Mercurys brist på vatten är ansvarig för denna drastiska temperaturförändring eftersom det torra materialet som utgör ytan inte kan hålla värme som vatten gör.

för att uppleva själv hur väl vatten håller temperaturen från drastiska fluktuationer, var uppmärksam på förändringen mellan dagtid och natttemperatur nästa gång du besöker ett maritimt (nära havet) eller ökenklimat., Du kommer förmodligen att märka att det finns liten eller ingen temperaturförändring nära havet, medan i öknen finns en betydande förändring i dagtid och natttemperaturer.

detta höga specifika värmeindex hjälper också vatten att släcka eld genom att kyla bränsleytorna som elden brinner och avlägsna den värme som behövs för att elden ska brinna. Vatten kväver också en eld genom att förhindra att den får syret som den behöver brinna.,

tredje elementet: luft

luft betraktades som ett ”rent” element, men i själva verket består luften som är runt omkring oss av en mängd olika gaser: främst kväve och syre, med nästan 1% argon och ännu mindre mängder koldioxid och andra element som krypton och helium. Sammansättningen av luft är bara rätt för livet på jorden, dock.

vi använder mycket av det syre vi får från luften och andas sedan ut koldioxid – vilka växter behöver tillverka sin mat genom fotosyntes. Växter i sin tur avger syre under fotosyntesen.,

även om luften är osynlig (och för det mesta glömmer vi det är även där), tar det upp utrymme, det har volym och det utövar tryck. Detta kan ses när du tar ett” tomt ” glas, vänd det upp och ner och försök att trycka ner det till botten av ett handfat fullt av vatten.

(Du kan se hur luften expanderar vid upphettning och krymper när den kyls med detta ägg-i-en-flaska projekt.)

om glaset var riktigt tomt, skulle vattnet lätt fylla insidan av glaset. Men luften är där, och endast en liten mängd vatten kan komma in i glaset., Luften i glaset komprimerades, vilket gav vattnet lite utrymme som tidigare var ockuperat med luft.

det är bra att luften fyller tomt utrymme eftersom luften runt omkring oss faktiskt pressar ner på oss hela tiden. Vi skulle kollapsa under luftens vikt, förutom att luften också är inuti oss och utövar tryck som balanserar ut trycket som utövas av utomhusluften.

fjärde elementet: Brand

hur fungerar brand? Det är nära kopplat till luft. Brand behöver tre saker för att existera: syre, bränsle och värme.,

intensiteten hos en brand varierar eftersom den är beroende av syre, bränsle och värme som är tillgänglig för den. När alla tre av dessa saker är i en kontrollerad situation, till exempel i ljus eller en lägereld, anses bränder vara till hjälp. Men när en eller flera av dessa saker inte kontrolleras, till exempel i en löpeld eller en brinnande byggnad, kan bränder lätt bli mycket farliga.

för att släcka en brand måste syret, bränslet eller värmen avlägsnas. ”Kvävning” en eld genom att placera en filt eller smuts på den fungerar eftersom elden går ut utan syre., Jorden ger ett överflöd av bränsle i form av trä och fossila bränslen som kol. När bränslet tas bort har Elden inget kvar att brinna och släcks. Vatten fungerar ofta som en effektiv kylkälla genom att ta bort värmen från en eld. Detta ses när varm lava från en utbrott vulkan kommer in i havet eller när en hink med vatten dumpas på en lägereld.

brand skapar ljus, värme och rök genom en snabb kemisk reaktion som kallas förbränning. Rök är resultatet av ofullständig förbränning (bränning) av ett bränsle. Partiklar som inte brändes blir suspenderade i luften., Rök är ofta farligt eftersom det innehåller skadliga gaser som kan förgifta en person som inhalerar för mycket rök.

Du kan bli förvånad över att veta att våra kroppar också använder ”förbränning” för att producera energi från syre och mat genom metaboliska processer. Vi behöver en stadig tillförsel av syre för att hålla våra kroppar fungerar normalt; om det finns för lite syre i luften, kommer vi kvävas. Samtidigt kan vi vara tacksamma att det inte finns mer syre i luften, eller de kemiska reaktionerna i våra kroppar skulle påskynda, vilket får oss att snart ”krascha och brinna”!,

för mycket syre i luften skulle också öka risken för bränder på jorden. Eftersom kväve och argon inte är mycket reaktiva, är luften ganska säker för oss.

vetenskapsprojekt: utforska de fyra elementen

gör en brandsläckare

för att släcka en brand måste en av tre saker avlägsnas från den: värme, bränsle eller syre. Att veta detta använder brandmän inte alltid vatten för att släcka en eld.,

vad du behöver:

• Tom läskflaska
• 5 matskedar vinäger
• 1/2 matsked bakpulver
• te ljus ljus

vad du gör:

1. Tänd ljuset.
2. häll ättika i flaskan och tillsätt bakpulver. (Du kanske vill använda en tratt.) Blandningen bör fizz.
3. håll flaskan i sidled över det tända ljuset och se till att ingen vätska kommer ut. Vad händer med flamman?

vad hände:

bakpulver och vinäger reagerar för att göra koldioxid, en gas som är tyngre än syre., När det” häller ” ut ur flaskan, skjuter det lättare syret bort från ljuset. Elden, som nu berövas syre, kan inte längre brinna.

reser näringsämnen

vatten kallas ofta det universella lösningsmedlet eftersom det kan lösa upp fler ämnen än någon annan vätska, som ofta bär dessa upplösta partiklar med den. När vatten färdas genom jord reser näringsämnen (mat) och upplösta partiklar med vattnet som ska deponeras någon annanstans. Här är ett experiment för att visuellt visa hur denna process händer.,

vad du behöver:

• 1/2 kopp torr jord
• 1/2 tesked blå pulveriserad tempera färg
• tratt
• bred mun burk (att tratten kan vila i)
• kaffefilter
• koppar eller behållare
• vatten
• mätkopp

vad du gör:

1. blanda den torra jorden och tempera måla noggrant. Placera tratten i burken och placera kaffefiltret i tratten. Häll jordblandningen i tratten.
2. häll långsamt 1/2 kopp vatten i tratten och titta på när vattnet rinner ut ur tratten i burken., Märker färgen på vattnet.
3. ta bort tratten från burken och häll vattnet i en kopp eller behållare. Byt tratten över burken, med kaffefiltret fullt med sand fortfarande på plats.
4. Upprepa steg 2 och 3 med en färsk 1/2 kopp vatten flera gånger, vilket sparar vattnet i en ny kopp efter varje hällning.

vad händer:

Du kommer att märka att när den första halvan kopp vatten gick igenom jorden, kom det ut som en mycket mörkblå färg. Vattnet kom dock ut lättare med varje extra kopp., Så småningom kom vattnet som färdades genom jorden ut klart i burken. Räknade du hur många halv koppar vatten det tog för att få vattnet att rinna klart?

tempurafärgen i detta experiment representerar de näringsämnen och upplösta partiklar som finns i jorden. Vatten är en mycket effektiv transportör av partiklar vilket framgår av färgen på vatten som det hälldes genom jorden. Marken började med en relativt hög mängd näringsämnen och partiklar i den – tempurafärgen., Vattnet som strömmar genom jorden kunde hämta en stor del av ”näringsämnena” och bära dem med sig genom tratten. Varje efterföljande hällning av vatten plockade upp mer näringsämnen. Med varje hällning blev de återstående näringsämnena mindre och mindre tills vattnet sprang klart och det fanns inga fler näringsämnen kvar att resa med vattnet.,

anmärkningsvärd vetenskapsman: George Gabriel Stokes, 1819-1903

George Gabriel Stokes var en skicklig brittisk matematiker på 1800-talet, men under hela sin karriär betonade han vikten av experiment och problemlösning snarare än att fokusera enbart på matematik.

genom att experimentera och tillämpa matematik på fysik kom Stokes fram till en lag som beskriver rörelsen av ett fast ämne genom en vätska eller en gas. Känd som Stokes lag, fastställde denna lag av viskositet vetenskapen om hydrodynamik., Stokes lag förklarar molnrörelse, vågrörelse och vattenmotståndet mot skeppsrörelse.

det mesta av Stokes arbete kretsade kring vågor (ljud, ljus och vatten) och hur de rör sig genom olika medier, såsom vatten och gas. Han experimenterade med hur vinden påverkar ljudets intensitet och hur intensiteten påverkas av vilken typ av gas ljudvågorna färdas genom. Han namngav och förklarade fluorescens och undersökte ljusets vågteori., Han arbetade också med att förstå de olika färgade band som kunde ses i ett spektrum och gjorde betydande bidrag till vad vi vet om ljus och optik.

Stokes jämförs ofta med Sir Isaac Newton eftersom det finns många paralleller mellan Stokes liv och Newtons liv: båda hade genombrott upptäckter, utvecklade rörelselagar, undersökte ljus och optik, höll samma prestigefyllda Lucasian-ordförande för matematik vid University of Cambridge och tjänstgjorde i parlamentet.

fantastiska fakta

jord

de flesta ädelstenar innehåller flera element., Undantaget? Diamant. Allt är kol.

vilken av de 50 staterna har aldrig haft en jordbävning? North Dakota.

jordens ekvatoriella omkrets (40,075 km) är större än dess polära omkrets (40,008 km).

jorden beräknas väga 6,6 sextillion ton, eller 5,97 x 1024 kg. För att jämföra är en miljon en 1 med 6 nollor som följer den-en sextillion är en 1 med 21 nollor som följer den. (1,000,000,000,000,000,000,000)

vatten

en tum regnvatten motsvarar 15 tum torr, pulverformig snö.,

den djupaste delen av havet är 35,813 fot (10,916 meter) djup och förekommer i Mariana Trench i Stilla havet. På det djupet trycket är 18.000 pounds (9172 kg) per kvadrat tum.

den mänskliga hjärnan är 80% vatten.

luft

8-12 miles ovanför jorden, floder av luft som kallas jetströmmar rör sig ovanför oss. Flera miles bred och 1-2 miles djup, dessa strömmar av luft kan ha vindhastigheter så höga som 250 miles per timme. Däremot har de starkaste orkanerna vindhastigheter mellan 150-200 miles per timme.,

Brand

en blixtbult är ca 5,000 °f (~2,800 °C).

solens centrum är cirka 27 miljoner grader Fahrenheit (15 miljoner °C).

element kombinerade

när väte brinner i luften bildas vatten.

syre är det mest rikliga elementet i jordskorpan, vattnet och atmosfären (ca 49,5%).

ljudet färdas ungefär 4 gånger snabbare i vatten än i luft.

vind och vatten orsakar både erosion till jorden, flyttar stora mängder sand och sten för att riva ner berg och bygga nya strukturer.,

Ytterligare läsning

• En introduktion till ljus
• solenergi
• identifiera stenar & mineraler