Od czasu do czasu nagłówki w prasie grzmią: „Nauczanie fizyki w szkołach to farsa!” i w wielu przypadkach jest to racja. Obie dziedziny – zarówno chemia, jak i fizyka – to bardzo ciekawe i rozbudowane zagadnienia, w których jeszcze wiele pozostało do odkrycia. Tymczasem trudny program szkolny, brak wyposażenia pracowni i przeciążeni nauczyciele nie pomagają w zaszczepieniu zainteresowania u uczniów. Spróbujmy nieco „odczarować” ten niechlubny wizerunek i tym razem sięgnijmy do podstaw związanych z materią. Bo uczenie się może być ciekawe, wciągające i budujące!
Z tego artykułu możesz się dowiedzieć:
- Jaka jest podstawowa definicja materii?
- Czym jest cząsteczka oraz atom?
- Co warto wiedzieć o stanach skupienia?
- Co (na początek!) warto wiedzieć o możliwych do wykonania pomiarach właściwości materii?
Zatem do dzieła, czas wszystko dobrze wytłumaczyć!
Czym jest materia?
Zacznijmy od przykładu.
Jacek – nasz dzisiejszy główny bohater – to fan popołudniowych wycieczek rowerowych. Po szkole zawsze wyrusza w trasę, najczęściej po wytyczonych leśnych ścieżkach w pobliżu rezerwatu przyrody. Czy podczas tych wojaży styka się on z materią?
Odpowiedź brzmi: tak, wielokrotnie! Problem w tym, że w fizyce – aby nie było tak prosto – mamy kilka definicji materii. Najprościej będzie wziąć pod uwagę najszerszą z nich, wedle której materią określamy takie obiekty, które mają niezerową energię, czyli same wytwarzają grawitację lub jej podlegają.
W uproszczeniu można powiedzieć, że materią jest ulubiony rower Jacka, drzewa, które mija, owady, budynki, a także on sam. Fizycy określają także materią takie obiekty, jakie dają się zbadać metodami – a jakże – fizycznymi. Można zatem w ich przypadku dokonywać obliczeń związanych z ładunkiem elektrycznym, energią, momentem pędu oraz samym pędem. Wszystkie wzory z tym związane to prawdziwa zmora na kolejnych klasówkach, ale w wielu przypadkach główny trud tkwi nie w samym sposobie obliczeń, a zrozumieniu, po co tego dokonywać. Warto zatem poznać podstawy dotyczące materii, żeby później mieć przetarty szlak.
Jakie są podstawowe składniki materii i jak je można klasyfikować?
Gdy zapytasz o materię, a konkretniej o jej budowę, to najczęściej usłyszysz odpowiedź, że składa się ona z:
- atomów, będących najbardziej podstawową bazą całej materii. Atomy nie są podzielne i można je obserwować przez wynaleziony w 1982 roku mikroskop STM (jego twórcy dostali za to nagrodę Nobla!),
- cząsteczek, inaczej nazywanych molekułami. Tutaj sprawa się komplikuje, bo cząsteczki są stworzone z przynajmniej dwóch atomów, połączonych ze sobą wiązaniem o odpowiedniej długości.
Jacek w trakcie swojej podróży nie mógł obserwować bezpośrednio zarówno atomów, jak i cząsteczek. Jednak dzięki obecności wielu różnych pierwiastków oraz wiązań chemicznych pomiędzy nimi, krajobraz dookoła był tak piękny!
Kilka słów o stanie skupienia
Wiele wieków temu, jeszcze przed naszą erą, w czasach starożytnej Grecji, żył na świecie filozof – Empedokles. Stworzył on teorię mocno wykorzystywaną do dziś (między innymi w popkulturze) o czterech żywiołach: wodzie, powietrzu, ziemi i ogniu. Co ciekawe, teoria ta ma całkiem sporo wspólnego ze stanami skupienia materii, które znamy obecnie:
- stan stały,
- stan ciekły,
- oraz stan gazowy.
Ziemia, woda, powietrze… prawda, że podobnie? No to jeszcze pozostaje pytanie: co z ogniem?
W 1920 roku do najmocniej kojarzonej stawki stanów skupienia dołączył czwarty, zwany plazmą. Nie posiada ona – dokładnie tak jak w przypadku gazów – kształtu, ale za to ma inną odmienną właściwość: potrafi przewodzić prąd elektryczny. Jej powstawaniu towarzyszy światło i ciepło. Zatem można powiedzieć, że Empedokles w bardzo uproszczonej formie… miał rację!
Jacek w trakcie przejażdżki oddychał powietrzem (materia: stan gazowy), mijał zbiornik wodny (stan ciekły) i podziwiał drzewa (stan stały). Co ciekawe, w drodze do lasu minął też warsztat spawalniczy, a tam, w trakcie procesu spawania, pojawiała się… plazma.
Ciekawostka: Czy to aby na pewno wszystkie stany skupienia? Nie! Według części źródeł może być ich nawet 500. To zdecydowanie więcej, niż 3 podstawowe, nieprawdaż? Każdy, kto ma do czynienia z ekranem LCD, widzi przed sobą stan ciekłokrystaliczny. A jest jeszcze szklisty, nadkrytyczny, nadciekły… część ze stanów skupienia istnieje jedynie w teorii!
Jakie właściwości materii możemy zmierzyć?
Czy tyle wiedzy nam wystarcza? Poniekąd tak, bo jest to pierwsza, bezpieczna przystań, w której już wiemy, że wszystko co nas otacza jest zbudowane z atomów powiązanych w cząsteczki, a także występuje w różnych stanach skupienia. Na tym etapie jednak nauka się nie zatrzymuje, tym bardziej fizyka i chemia – zadanie jest o wiele bardziej skomplikowane, bo polega na teoretycznym wyjaśnieniu „jak coś działa”, a później zbudowaniu… czegoś nowego. Właśnie tak powstają kolejne odkrycia!
Co możemy mierzyć, jakie właściwości materii obserwować?
- Zmiany stanów skupienia to jedno z najciekawszych zjawisk, które obserwujemy w przyrodzie,
- Masa i ciężar to jedne z podstawowych parametrów, jakie możemy zmierzyć względem materii. Jedna z definicji mówi nawet, że materia to obiekty o innej niż zerowa masie spoczynkowej (jest to tzw. materia masywna),
- Ciśnienie, które w przypadku zarówno gazów, jak i cieczy możemy zmierzyć np. manometrem,
- Sprężystość, kruchość oraz plastyczność to trzy określenia używane względem ciał stałych,
- Gęstość, czyli masa podzielona przez objętość, to jedna z właściwości, na której wzór w przyszłości warto zwrócić uwagę (będzie powtarzał się wielokrotnie!).
To jeszcze nie wszystko, lecz dopiero początek. Podtytuł tego artykułu brzmi „wprowadzenie do podstaw chemii i fizyki”, więc nie będziemy poruszać tutaj prawa Pascala albo definiować napięcia powierzchniowego. Naukę warto prowadzić stopniowo, zataczając coraz większe kręgi, dzięki czemu znajomość podstaw będzie pomagała w zrozumieniu kolejnych definicji. Najgorszy możliwy scenariusz to braki w wiedzy (czyt. zaległości szkolne), przez które uruchamiamy „efekt domina” – nie zapoznaliśmy się z jednym działem, więc nie zrozumiemy, po co jest kolejny. Na dziś wystarczy, ale zanim:
Krajobraz tego dnia wokół Jacka był „po deszczu”, ale temperatura powietrza dość wysoka dlatego nad ziemią unosiła się para (stan ciekły wody zmieniał się w gazowy). Za to jazda na rowerze była inna niż zwykle – szybko spostrzegł, że ciśnienie w tylnej oponie jest za niskie i koło wymaga dopompowania. Pomyśl, co jeszcze mogło zdarzyć się w trakcie wyprawy i z jaką materią spotkał się Jacek!
Gratulacje! Wiesz już co nieco na temat materii, a jeśli wiedzę tę utrwalisz i pogłębisz – będziesz z pewnością mieć więcej wiadomości na ten temat, niż przeciętny Kowalski w naszym kraju. Zaglądaj też częściej na bloga BUKI School, żeby sięgnąć po jeszcze więcej wciągających treści, dzięki którym później w szkole będzie ci łatwiej zaliczać kolejne sprawdziany!