Wybierz zamówienie dla zakupu lekcji

Właściwości i budowa materii – wprowadzenie do podstaw chemii i fizyki materii

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!

Właściwości i budowa materii - najczęściej zadawane pytania

Czym jest materia?

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 oraz z cząsteczek, inaczej nazywanych molekułami.

29.05.2023

Czym zajmuje się biologia molekularna?

Biologia molekularna, to jedna z dziedzin biologii. Jej podstawy poznaje każdy uczeń podczas zajęć biologii w szkole. Dokładniej naukę tą zgłębiają osoby na studiach biologicznych. W rzeczywistości ta gałąź biologii jest niezwykle rozbudowana i daje niemal nieograniczone możliwości. Jest to nauka stosunkowo nowa, jedynka ma ogromne znaczenie dla współczesnej medycyny i całego naszego życia.

29.05.2023

Kiedy zacząć naukę fizyki?

Fizyka mrozi krew w żyłach większości z nas. Znaczna część osób w wieku szkolnym miała problem właśnie z tym przedmiotem. Prawdą jest jednak to, że fizyka jest częścią naszego życia i nie możemy bez niej żyć, dlatego warto wprowadzać ją od najmłodszych lat do świata dziecka. Często można usłyszeć, że na naukę nigdy nie jest za późno, ale za wcześnie też nie jest.

29.05.2023

Fizyka w życiu codziennym - czy fizyka jest nam potrzebna?

Fizyka to jedna z trudniejszych dziedzin nauki. Zajmuje się opisywaniem nie tylko zjawisk mających miejsce na naszym świecie (i przyrodzie), ale także korzysta z właściwości matematycznych. Nic dziwnego, że może ona sprawiać pewne trudności.

30.09.2023

Pierwsza zasada dynamiki – łatwe wytłumaczenie!

„Tato, wytłumaczysz mi, na czym polega pierwsza zasada dynamiki Newtona?” – po takim pytaniu zazwyczaj następuje krótka cisza, później głębokie westchnięcie i wyraz zrezygnowania na twarzy, a następnie wymijająca odpowiedź „może innym razem”. To oczywiście dość zabawna wizualizacja sytuacji i nie musi się zdarzyć naprawdę, jednakże… Przy okazji warto zdać sobie sprawę z tego, że nawet skomplikowanie brzmiące teorie fizyczne można wytłumaczyć łatwo i przystępnie. Zatem do dzieła!

12.12.2023

Co to jest elektrostatyka i jak obliczać ładunki elektryczne?

Bardzo przyjemną cechą fizyki jest to, że nauka ta tłumaczy nam codzienne zjawiska. Jeśli kiedyś pochłonęły cię myśli o tym, skąd się wziął piorun na niebie, albo dlaczego czasem dotknięcie swetra kogoś obok „kopie”, to rozwiązanie kryje się w bardzo dobrze udokumentowanej dziedzinie, jaką jest elektrostatyka.