1  

       

Chapter  1  Lifestyle  Chemistry  

                                       

Thin

kswap

Doc

umen

t

  2  

1.  The  use  of  a  substance  depends  on  its  physical  and  chemical  properties  

1.1.  Identify  that  a  wide  range  of  substances  are  used  daily  as  part  of  our:  -­‐  Food  -­‐  Hygiene  -­‐  Maintenance  of  our  health    Food  

• Consists  of  substances  such  as  simple  and  complex  carbohydrates,  protein,  fats  and  oils,  vitamins,  minerals,  water,  acids,  bases,  alcohols,  esters  and  many  others.  

 Hygiene    

• Soap,  shampoo,  deodorant,  toothpaste,  cleansing  creams  and  lotions,  are  mixtures  of  chemicals  like  glycerol,  fats  and  oils,  salts  and  water.  

 Maintenance  of  our  Health    

• Household  cleaners  and  pesticides  may  be  mixtures  or  compounds  and  often  contain  methylated  spirits,  sodium  hydroxide  and  salts  

 1.2.Process  and  analyze  information  to  identify  the  range  of  chemicals  used  in  every  day  living  including:      Detergent,  Lubricant,  Pesticide,  Solvent,  Metal  cleaner,  Body  hygiene  chemicals,  Cosmetic      And  outline  any  precautions  when  using  them  

Chemical   Use   Precautions  Detergents   • Cleans  dishes  and  

clothes  • Corrosive  =  keep  away  

from  eyes  • Toxic  =  do  not  ingest  

Lubricants   • Reduces  friction  e.g.  in  bikes,  cars  and  machinery  

• Flammable  =  keep  away  from  flames  

Pesticides   • Kill  insects   Toxic  =  do  not  swallow,  inhale,  spill  on  skin  

Solvents   • To  dissolve  other  stuff  e.g.  turps,  water  

• Some  are  flammable,  toxic,  corrosive  

Metal  cleaners  

• Removes  tarnish  from  metals  

• May  be  toxic  or  corrosive  

Body  hygiene  chemicals  

• Soap,  deodorant  =  reduce  body  odour.  Antiseptics  =  kill  bacteria  

• Many  are  toxic  and  will  cause  allergic  reactions  if  swallowed    

Cosmetics   • Perfume  =  change  smell.  Make  up  =  

• Sprays  may  be  dangerous  to  inhale  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  3  

 1.3.Explain  that  mixtures  can  be:      -­‐  Solutions  that  contain  dissolved  substances  and  are  uniform  throughout      -­‐  Suspensions  containing  particles  that  settle  out,  or  form  layers  quickly      -­‐  Colloids  with  particles  that  remain  suspended  for  long  periods  of  time  and  include:    Liquid-­‐in-­‐liquid  (emulsion):  oil-­‐in-­‐water  +  water-­‐in-­‐oil    Gas-­‐in-­‐liquid  (foams)    Solution  

• Is  when  a  solvent  and  a  solute  completely  mix  and  form  a  uniform  or  homogenous  mixture.  

• They  allow  light  to  pass  through  them  without  scattering      Types  

• Solid  dissolved  in  a  liquid  =  saltwater  • Gas  dissolved  in  a  liquid  =  oxygen  in  water  • Liquid  in  liquid  =  soft  drink  

 Suspension  

• A  mixture  of  fine  particles  suspended  into  a  liquid,  which  can  be  called  a  heterogeneous  mixture.  

• The  particles  will  settle  on  standing  and  can  be  filtered  with  filter  paper.  • Light  doesn’t  pass  through  

Types  -­‐ Solid  particles  suspended  in  a  liquid  =  soluble  aspirin  -­‐ Liquid  particles  suspended  in  a  liquid  =  fresh  milk  

 Colloid    

• A  homogenous  uniform  suspension    Emulsified  suspension  • Light  scatters    

Types  -­‐ Emulsions:    

-­‐  Oil  in  water  =  homogenized  milk  -­‐  Water  in  oil  =  mayonnaise    

-­‐ Gas  particles  suspended  in  a  liquid  (foam)  =  shaving  cream  -­‐ Solid  particles  suspended  in  a  liquid  =  paint  

 

change  appearance  Preservatives   • Prevent  bacteria  

growing  in  food    • Eat  minimal  amounts  

because  they  can  have  negative  effects  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  4  

1.5.  Plan,  select  appropriate  equipment  or  resources  for  and  perform  a  first-­‐hand  investigation  to  produce  a  range  of  suspensions  and  colloids  that  are  used  by  consumers  including      -­‐  Beaten  or  whisked  eggs      -­‐  Salad  dressing  (oil/vinegar)      -­‐  Mayonnaise    Beaten  or  whisked  eggs    

• When  an  egg  is  cracked  and  whisked  it  forms  a  homogenous  mixture  even  though  before  being  cracked  it  a  suspension  (the  egg  yolk  is  suspended  in  the  egg  white    

• Therefore  beaten  or  whisked  eggs  is  a  colloid    Salad  dressing  

• The  vinegar  was  poured  into  the  oil  and  it  was  shaken  until  the  mixture  looked  uniform    

• After  1  minute  of  rest  the  mixture  became  suspended,  with  the  olive  oil  hovering  over  the  vinegar  

• Therefore  salad  dressing  is  a  suspension.    Mayonnaise    

 • Therefore  mayonnaise  is  an  emulsified  colloid  with  the  egg  yolks  acting  as  

the  emulsifier  for  the  vinegar  and  the  oil.    

1.6.  Use  first-­‐hand  or  secondary  sources  to  gather,  process  ,  analyze  and  present  information  to  identify  examples  of  suspensions  and  colloids  and  outline  one  advantage  of  a  mixture  being  in  each  form    

Ingredients     Method  -­‐ ¼  teaspoon  of  sugar  -­‐ ½  cup  of  vegetable  oil  -­‐ ¼  teaspoon  of  salt  -­‐ ½  teaspoon  of  mustard  -­‐ 2  egg  yolks  -­‐ ½  cup  of  vinegar    

 

1. Mix  dry  ingredients  and  mustard  

2. Beat  egg  yolks  3. Add  step  1  and  2  together  and  

mix  well  4. Add  half  the  vinegar  slowly  and  

mix  well  5. Add  3  tablespoons  of  oil  one  

drop  at  a  time,  beating  vigorously  each  time  

6. Beat  in  the  remaining  vinegar  7. Add  the  remaining  oil  a  

tablespoon  at  a  time  -­‐  beating  at  the  same  time  

8. Cover  the  beaker  with  glad  wrap  and  leave  to  rest  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  5  

Suspension  • Pot  of  tea  with  tealeaves.    • Advantage    because  parts  can  be  separated  easily,  after  a  while  the  

leaves  will  fall  to  the  bottom  making  it  easy  to  pour  the  liquid  into  another  mug  

Colloid    • Margarine  • Advantage    because  of  the  smooth  texture,  allows  the  margarine  to  be  

spread  easily      1.7.  Perform  first-­‐hand  investigations  to  demonstrate  the  effect  of  surface  tension  on:    -­‐  The  shape  of  liquid  drops      -­‐  The  formation  of  menisci      -­‐  The  ability  of  some  insects  to  walk  on  water      

• Surface  tension  is  the  result  of  strong  forces  between  molecules  in  a  liquid,  pulling  them  inward.  

 Shape  shape  of  liquid  drops  

• Unbalanced  forces  on  particles  at  the  surface  pull  the  liquid  into  around  spherical  shape  

The  formation  of  the  menisci  • Meniscus  is  the  curve  in  the  upper  surface  of  a  liquid  I  a  container.  • Concave  menisci  is  when  molecules  have  a  stronger  attraction  to  each  

other  (cohesion)  • Convex  menisci  is  when  molecules  have  a  stronger  attraction  to  the  

container  (adhesion)  The  ability  of  some  insects  to  walk  on  water  

• Pour  some  water  onto  a  watch  glass  until  it  is  full.  • Carefully  place  a  needle,  horizontally,  on  the  surface  of  the  water.  • The  needle  floats  because  of  the  surface  tension,    a  combination  of  the  

water  pushing  up  and  the  strength  of  the  surface  film  that  holds  up  the  needle.  

1.8.  Explain  surface  tension  in  terms  of  the  forces  experienced  by  particles  at  the  surface  of  a  liquid      

• Forces  of  attraction  between  the  particles  in  a  liquid  hold  it  together  • At  the  surface  of  the  liquid,  particles  in  contract  with  the  air  are  attracted  

downwards  to  other  liquid  particles  but  there  is  no  balancing  attraction  upwards  

• Thus  the  result  is  for  particles  to  pull  together  as  if  there  is  a  skin  on  the  surface    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  6  

1.9.  Describe  surfactants  as  substances  that  affect  the  surface  tension  of  a  liquid    

• Surfactants  =  surface  acting  agent,  one  that  lowers  the  surface  tension  of  a  liquid  

• E.g.  Soap  or  detergent  • Surfactants  are  useful  as  they  break  the  surface  tension  of  the  water  

which  allows  the  them  to  clean  surfaces  

1.10.  Process  and  present  diagrammatic  information  to  describe  the  effects  of  soaps,  skin  cleansers  and  shampoos  on  the  solubility  of  oil      

• The  process  of  removing  dirt  from  surfaces  using  a  surfactant  is  shown:  

 Step  1    

• The  surfactant  is  added  to  the  water  containing  the  dirty  substance  • The  soapy  water  wets  the  surface  and  the  grease  covering  it  

Step  2  • The  hydrophobic  end  of  the  molecule  attaches  its  self  to  the  grease,  whilst  

the  hydrophilic  end  pulls  against  it  Step  3  

• The  grease  then  becomes  detached  from  the  surface  and  remains  suspended  in  the  soapy  water  until  it  is  washed  away  

             

Thin

kswap

Doc

umen

t

  7  

2.  A  wide  range  of  cleaning  products  are  made  from  colloids  and  

surfactants  2.1.  Perform  a  first-­‐hand  investigation  to  prepare  an  emulsion  and  compare  its  properties  to  those  of  a  solution  and  suspension    

• Emulsions  are  mixtures  of  two  immiscible  liquids  such  as  oil  and  water  that  are  suspended  in  one  another  indefinitely.    

• They  contain  emulsifying  agents  that  stabilize  them.    

2.2.  State  the  relationship  between  the  properties  of  an  emulsion  and  the  types  of  molecules  present    Water  based  (oil  in  water)  

• Such  as  hand  lotions,  face  cleansing  lotions  and  conditioners,  contain  some  oil  or  fat.    

• They  are  used  to  moisturize  or  protect  the  skin  and  hair  by  placing  oil  onto  the  surface.    

• These  are  miscible  with  water    this  means  that  if  a  small  amount  is  placed  into  water  and  shaken  or  stirred  it  will  remain  suspended.    

• The  types  of  surfactant  molecules  present  are  large  molecules  with  very  polar  chemical  groups  at  one  end.    

• This  end  becomes  attracted  to  the  polar  

Homogenous  

Homogenous  

Homogenous  

Heterogeneous  

No  

Yes   No  

Yes  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  8  

water  molecules.  • The  other  non-­‐polar  end  of  the  surfactant  is  attracted  to  the  non-­‐polar  oil  

molecules.    • Many  of  the  surfactant  molecules  become  positioned  around  the  very  

small  droplets  of  oil,  preventing  them  from  merging  together    Oil  based  (water  in  oil)  

• Such  as  cold  creams,  night  creams  and  hair  creams,  contain  some  water.  

• These  are  immiscible  with  water  and  so  if  a  small  amount  is  placed  into  water,  the  emulsion  will  not  be  maintained.    

• They  are  useful  to  cleanse  the  skin,  moisturize  very  dry  skin  and  hold  hair  in  place.    

• The  types  of  surfactant  molecules  present  in  water-­‐in-­‐oil  based  emulsions  are  long  starch  molecules  or  protein  chains.    

• The  chains  wind  among  minute  water  droplets  and  prevent  them  from  merging  together  

 

2.4.  Outline  the  purpose  of  the  emulsifying  agent  in  a  range  of  consumer  cleaning  products    Anionic  

• The  molecules  in  emulsifying  agents  that  are  used  in  dishwashing  and  laundry  detergents  have  a  negative  end  when  they  dissolve.    

• This  allows  them  to  keep  oily  substances  away  from  any  article  that  has  negatively  charged  surfaces,  such  as  glass  and  crockery.  

Cationic    • The  molecules  in  emulsifying  agents  that  are  used  in  fabric  softeners  and  

hair  conditioners  have  a  positive  end  when  they  dissolve.  • This  allows  them  to  keep  oily  substances  away  from  any  article  that  has  

positively  charged  surfaces,  as  is  often  the  case  with  plastic.    Non  –  ionic    

• They  do  not  ionize  in  solution    meaning  the  molecules  are  polar  but  do  not  contain  electrically  charged  ions.  

• Suitable  for  detergents  in  front  loading  machines  that  depend  largely  on  friction  for  cleansing  and  not  so  much  on  the  detergents  cleaning  ability  

Amphoteric  • These  are  molecules  in  emulsifying  agents  that  are  used  in  personal  

cleaning  products.  • They  can  have  positive  ends  in  alkaline  solutions  and  negative  ends  in  

acidic  solutions.    • This  allows  them  to  keep  oily  substances  away  from  some  objects  that  

have  positively  charged  surfaces  or  negatively  charged  surfaces    they  are  not  strong  cleaners.    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  9  

2.5.  Identify  that  soaps  and  detergents  are  emulsifying  agents  and  surfactants      

• Soaps  and  detergents  are  surfactants  because    =  they  lower  the  surface  tension  allowing  water  to  come  into  closer  contact  with  grease/oil/dirt  

• Soaps  and  detergents  are  emulsifying  agents  because  =  they  assist  two  immiscible  substances,  such  as  oil  and  water,  to  mix    Soaps  and  detergents  allow  oil  to  disperse  in  water  

2.6.  Explain  why  cleaning  agents  must  be  surfactants  and  emulsifiers    • A  surfactant  is  needed  to  reduce  the  surface  tension  and  allow  the  water  

to  wet  the  surface  thoroughly  • An  emulsifier  is  needed  to  remove  the  grease/oil/dirt  from  the  surface  

and  keep  it  suspended  in  the  water  so  it  can  be  washed  away  

2.7.  Define  the  term  biodegradable  • The  ability  of  Substance  to  be  broken  down  under  the  action  of  bacteria  

and  the  other  decomposers  in  the  environment.    

2.8.  Discuss  the  biodegradability  of  soaps  and  soapless  detergents    

• Microorganisms  break  down  soap  to  smaller  naturally  occurring  molecules.  

• Soapless  or  synthetic  detergents  were  not  broken  down  by  microorganisms  and  remained  in  water  systems  creating  foam.  

• Modern  detergents,  although  still  produced  synthetically,  can  be  broken  down  by  micro-­‐organisms  and  so  are  considered  to  be  biodegradable    

• They  have  an  added  advantage  over  soap  in  that  they  are  effective  as  cleaning  agents  in  hard  water  and  in  cold  water  

Not  in  the  syllabus:    Long  (more  than  18  atoms)  hydrocarbon  chain  =  hard  soap    doesn’t  mix  well  with  water:  sodium  Short  hydrocarbon  chain  (less  than  18)  =  soft  soap    irritable  to  the  skin:  Potassium    

                         

Thin

kswap

Doc

umen

t

  10  

3.  Cleaning  products  used  on  the  human  body  must  be  compatible  with  the  physical  and  chemical  properties  

of  the  skin  3.1.  Perform  a  first-­‐hand  investigation  to  examine  prepared  slides  of  human  skin    

 Part  of  skin   Function  

Sweat  glands   • Excretion  of  water,  minerals  and  urea  

• Control  body  temp  Nerve  endings     • Collect  info  about  temp  and  

pressure  from  the  environment  Hair  follicles   • Growth  of  hair  Oil  (sebaceous)  glands   • Make  slightly  acidic  oil  to  

protect  skin  Hair  muscles   • Contract  to  make  hairs  stand  up  

in  the  cold  Blood  vessels   • Supply  food  and  oxygen  to  all  

skin  cells  and  remove  their  wastes  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  11  

3.2.  Identify  the  role  of  the  skin  as:  an  organ  to  separate  the  body  from  the  external  environment,  an  organ  assisting  body  temperature  control  and  an  organ  to  protect  against  entry  by  disease-­‐causing  organisms      The  skin  is  an  organ  to  separate  the  body  from  the  external  environment.    

• The  epidermis  forms  an  effective  barrier  to  separate  the  rest  of  the  body  from  the  external  environment.    

The  skin  is  an  organ  assisting  body  temperature  control  • Sweat  glands,  found  in  the  dermis,  produce  a  liquid  that  is  released  

through  the  pores  in  the  epidermis.    • When  this  liquid  is  released  on  the  surface  of  the  body  it  evaporates  and  

this  in  turn  cools  the  body  surface.    • When  the  body  becomes  hot,  the  rate  at  which  these  glands  produce  

sweat  or  perspiration  increases.  As  well  as  this,  when  the  body  becomes  hot,  the  blood  vessels  dilate,  which  allows  loss  of  heat  through  the  epidermis.  These  processes  help  to  maintain  the  body  temperature  at  37oC.  

The  skin  is  an  organ  to  protect  against  entry  by  disease-­‐causing  organisms.    • The  skin  protects  our  body  against  disease  in  a  number  of  ways:  -­‐ The  shedding  of  the  top  layer  of  skin  helps  prevent  the  entry  of  disease  

causing  organisms.  -­‐ The  high  concentration  of  salt  in  sweat  creates  an  environment  that  is  

inhospitable  to  many  bacteria.  -­‐ The  presence  of  skin  microflora  holds  in  check  the  small  number  of  

pathogenic  organisms  that  are  on  our  skin  surfaces.    

3.3.  Define  the  term  microflora  and  discuss  the  role  of  the  microflora  on  skin  in  different  parts  of  the  body      

• Microflora  are  microorganisms,  including  bacteria,  fungi,  algae,  protozoa  and  viruses,  that  live  in  harmless  association  with  our  skin.    

• They  are  able  to  survive  the  acidic  nature  of  our  skin  and  sometimes  actually  help  us  against  the  entry  of  pathogens  (microorganisms  that  cause  disease).    

• The  presence  of  the  microflora  limits  the  resources  available  for  pathogenic  bacteria  that  may  be  able  to  survive  the  acidic,  salty  environment.    

• The  microflora  also  increase  the  acidic  nature  of  the  skin  therefore  making  it  even  more  inhospitable  to  many  pathogens.  

• Dry  areas  have  a  smaller  population  as  opposed  to  moister  areas  such  as  the  armpits  

3.4.  Discuss  the  term  pH  in  terms  of  its  ability  to  describe  the  acidity  of  a  substance  

• The  pH  scale  can  be  used  very  effectively  to  describe  the  degree  of  acidity  of  a  substance.    

• The  pH  scale  has  the  range  of  0-­‐14,  where  a  pH  of  7  is  regarded  as  neutral.    • Substances  with  a  pH  below  7  are  regarded  as  acidic  and  substances  with  

a  pH  above  7  are  regarded  as  alkaline.    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  12  

• Indicators  include:  litmus  paper,  universal  indicator  paper  or  universal  indicator  solution,  methyl  orange  or  phenolphthalein    

3.5.  Perform  first-­‐hand  investigations  to  measure  the  pH  values  of  a  range  of  skin  and  hair  products    

• Used  products  such  as  soaps,  shampoos  and  detergents  • We  dissolved  a  measured  amount  of  each  substance  into  water  and  added  

a  couple  of  drops  of  universal  indicator  and  tested  with  pH  paper.    

3.6.  Explain  the  relationship  between  the  natural  pH  of  the  skin  and  the  action  of:  microflora,  natural  oil  produced  by  glands  in  the  skin  and  perspiration      

**Remembering  the  skins  pH  is  5.5,  so  it  is  slightly  acidic**    Microflora    

• Pathogenic  microorganisms  do  not  survive  in  an  acidic  environment  • The  natural  microflora  are  adapted  to  the  acid  conditions  of  the  skin  so  

they  are  able  to  live  there    they  contribute  to  the  maintenance  of  the  acidic  environment  

Natural  oil  produced  by  glands  in  the  skin  • The  slightly  acidic  pH  of  the  skin  is  largely  as  a  result  of  the  production  of  

oil  by  oil  glands  • Also  the  microflora  feed  on  this  oil  and  produce  acids  to  also  help  

maintain  the  acidity    Perspiration    

• Sweat  contributes  to  the  natural  pH  of  the  skin.  • Sweat  from  exercise  is  not  as  acidic  as  from  heat  and  heat  is  not  as  acidic  

then  from  fear    

3.7.  Identify  data  sources,  plan,  choose  equipment  or  resources  for,  and  perform  a  first-­‐hand  investigation  to  test  manufacturers’  claim(s)  on  a  commercial  product  such  as  soap,  shampoo  or  shower  gel  and  use  the  available  evidence  to  analyze  the  results  and  discuss  the  validity  of  the  claim(s)    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  13  

Johnston’s  moisturizing  body  wash  claimed  to  have  pH  of  5.5  • Dissolved  a  small  amount  of  the  product  into  water  and  tested  it  first  with  

pH  paper  and  then  used  the  universal  indicator  solution.  • Then  compared  the  colors  obtained  from  the  tests  to  the  pH  scale  • Claim  was  valid  because  both  tested  showed  pH  of  5.5  

3.8.  Identify  and  explain  the  use  of  common  components  of  body  soaps,  cleansers  and  shampoos  and  the  reason  for  their  use      

• The  common  components  of  most  skin  soaps,  cleansers  and  shampoos  are:  surfactants,  oils,  and  fragrances,  dyes,  pH  balances  and  ant  microbe  agents.    

• The  pH  of  these  products  should  be  compatible  with  that  of  the  skin.    Common  components  of  soap,  cleansers  

and  shampoos  Reasons  for  their  use  

Surfactants/emulsifiers   To  help  water  attach  to  and  remove  oil  particles  and  dirt  and  allow  the  water  to  carry  these  away  

Oils   To  replace  natural  skin  oils  and  protect  the  skin  or  hair  from  becoming  dry  

Fragrances   To  make  the  product  more  attractive  to  customers  

Dyes   To  make  the  product  more  attractive  to  customers  

pH  balances   To  maintain  the  skins  pH  of  5.5  Ant  microbe  agents   To  destroy  or  slow  the  growth  of  

unwanted  microbes                                            

Thin

kswap

Doc

umen

t

  14  

4.  The  nature  of  a  solvent  plays  an  important  role  in  the  application  of  a  

mixture  4.1.  Perform  an  investigation  to  gather  data  comparing  the  rate  at  which  capsules,  tablets,  enteric-­‐coated  tablets  and  slow  release  tablets  dissolve      Capsules  

• Contain  the  active  drug  within  a  hard  or  soft  gelatin  covering    • The  gelatin  capsule  dissolves  readily  I  the  stomach  fluids  and  the  contents  

are  released    Tablets  

• Designed  to  hold  together  until  swallowed  • After  entering  the  stomach  they  disintegrate  quickly  

Slow  release  tablets  • Release  their  contents  slowly  into  the  digestive  tract  so  that  the  effect  of  

the  drug  can  be  maintained  over  a  much  longer  period  of  time  Enteric-­‐coated  tablets  

• Are  specifically  designed  to  stay  intact  when  in  the  stomach  so  that  the  active  ingredient  does  not  irritate  the  stomach    

• The  active  ingredient  is  released  into  the  alkaline  environment  o  the  small  intestine  and  then  absorbed  into  the  blood  stream  

 Experiment  

• Placed  each  one  in  both  alcohol  and  water.    • As  soon  as  placed  in  the  liquid  the  stopwatch  was  started  recording  the  

times  

4.2.  Identify  water  and  alcohol  as  commonly  used  solvents          

       

• Substances  that  dissolve  in  water:  sugar  and  salt  • Substances  that  dissolve  in  alcohol:  grease  and  oil  

4.3.  Identify  cosmetics  and  external  medications  where  water  is  the  solvent    • Water  is  used  as  a  solvent  for  facial  cleaners,  hair  shampoo,  conditioners,  

moisturizers  and  some  creams  (oil-­‐in-­‐water  emulsions).    • Antiseptic  solutions  (e.g.  Dettol)  are  dissolved  in  water  before  being  used  

to  bathe  wounds.  

**Remembering**  -­‐ Solution  =  solvent  dissolves  solute  -­‐ Solute  =  substance  that  gets  dissolved  -­‐ Solvent  =  does  the  dissolving  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  15  

4.4.  Identify  cosmetics  and  external  medications  where  alcohol  is  the  solvent    

• Alcohol  is  used  as  a  solvent  for  astringents  such  as  facial  toner  and  aftershave,  some  antiseptics,  perfumes,  hair  sprays  and  hair  revitalizers  and  personal  insect  repellents.    

• Iodine  is  dissolved  in  alcohol  for  use  as  a  common  antiseptic    • Alcohol  is  also  used  in  spray  on  painkillers.    

4.5.  Explain  the  relationship  between  the  properties  of  solvents  and  their  use  in  cosmetics  and  external  medications      Water  

• Is  a  polar  substance  and  is  able  to  dissolve  a  wide  range  of  polar  and  ionic  substances.    

• This  makes  water  very  useful  for  -­‐ The  base  for  emulsions  in  many  cosmetics  and  medicines  -­‐ Dissolving  many  medicines  before  swallowing  -­‐ Diluting  medicines  so  they  are  in  the  correct  concentration  

Alcohol  • Has  a  non  polar  end  and  a  partly  charged  end    this  makes  it  a  useful  

solvent  as  it  can  mix  with  water,  dissolve  polar  substances,  ionic  substances  and  also  some  non  polar  substances  

• It  dissolves  some  medicines  that  are  not  soluble  in  water  • Has  a  lower  boiling  point  than  water  and  thus  evaporates  more  readily,  

and  better  for  some  situations    

4.6.  Identify  data  sources,  gather,  process,  analyze  and  present  information  from  secondary  sources  to  identify  how  subdermal  implants  release  their  medication      

• Subdermal  implant  =  device  placed  under  the  skin  to  release  drugs  into  the  body  at  a  controlled  rate  

• Advantages:  -­‐ Receive  drug  regularly  at  a  controlled  rate  -­‐ No  need  to  remember  to  take  the  drug  -­‐ The  drug  goes  directly  into  the  bloodstream  • Examples:  contraceptive  purposes,  insulin  for  diabetics  • Dermal  patches  =  do  the  same  as  a  subdermal  implant  but  on  the  outside  

of  the  skin    only  useful  for  drugs  with  molecules  small  enough  to  pass  through  the  skin  e.g.  nicotine  

 

 

Thin

kswap

Doc

umen

t

  16  

5.  The  solubility  of  materials  used  in  drugs  has  an  effect  on  the  way  in  which  the  body  responds  to  them  5.1.  Identify  the  parts  of  the  digestive  system      

• the  function  of  the  digestive  system  is  to  break  up  food  molecules  until  they  are  small  enough  to  pass  through  the  walls  of  the  blood  vessels  and  into  the  blood  and  furthermore  into  the  cells  

 Part  of  digestive  system   Function  Teeth     Physically  break  up  food  into  small  pieces  Salivary  glands   Produce  an  enzyme  which  starts  the  chemical  

digestion/breakdown  of  starch  into  glucose  Oesphagus/food  pipe   Carries  food  from  the  mouth  to  the  stomach  Stomach     Produces  hydrochloric  acid  and  an  enzyme  called  

pepsin  which  digests/breaks  down  proteins  into  amino  acids  

Small  intestine   Secretes  enzymes  to  digest  food.  Completes  the  digestion  of  food.  Absorbs  digested  food  through  its  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  17  

wall  into  blood  vessels  and  lymph  vessels  Large  intestine   Undigested  food  passes  out  of  the  body  as  fasces.  

Absorbs  water  and  some  vitamins  Anus     Ring  of  muscle  at  the  end  of  the  large  intestine.  Liver     Produces  bile  which  emulsifies  fats  into  small  droplets  

so  they  can  be  digested  Pancreas     Produces  enzymes  to  digest  food  in  the  small  intestine  Gall  bladder   Stores  bile  until  it  is  needed  

5.2.  Outline  the  role  of  the  stomach  and  the  small  intestine  in  breaking  down  food     The  stomach  

• Has  the  role  of  beginning  the  breakdown  of  protein  into  amino  acids.    • It  does  this  by  churning  the  food  with  gastric  juice.    • The  gastric  juice,  which  is  excreted  from  the  walls  of  the  stomach,  

contains  enzymes,  to  break  down  the  proteins,  and  acid,  to  kill  harmful  bacteria.  

The  small  intestine    • Produces  enzymes  that  complete  the  digestion  process.    • It  is  also  the  organ  from  which  digested  foods  are  absorbed  into  the  

bloodstream.    • In  the  first  section  of  the  small  intestine,  called  the  duodenum,  the  partly  

digested  food  is  mixed  with  bile  and  pancreatic  juice:  -­‐ The  bile  helps  to  break  down  fat  and  oil  drops  into  smaller  droplets  -­‐ The  pancreatic  juice  helps  to  break  down  carbohydrates  to  simple  sugars,  

helps  to  complete  the  digestion  of  proteins  and  to  break  down  fats  into  fatty  acids.    

-­‐ The  pancreatic  juice  also  helps  neutralize  the  acid  from  the  stomach.    

5.3.  Discuss  the  difference  in  pH  of  the  stomach  and  the  small  intestine      Stomach  

• Has  a  pH  of  around  3,  owing  to  the  presence  of  hydrochloric  acid.    • The  low  pH  of  the  stomach  allows  it  to  kill  harmful  bacteria.    • Also,  this  pH  provides  the  conditions  necessary  for  the  enzyme  pepsin  to  

begin  the  breakdown  of  the  proteins  present  in  the  food  that  has  been  ingested.  

Small  intestine  • Bile  from  the  gall  bladder  emulsifies  the  fat  present  in  the  food.    • This  bile  is  alkaline  and  helps  to  neutralize  the  stomach  acid  in  the  food.    • The  alkaline  environment  allows  other  enzymes  like  lipase,  amylase  and  

protease  to  continue  the  digestion  of  the  protein,  starch  and  fat  molecules  present  in  the  food.  

5.5.  Account  for  the  absorption  of  a  drug  and  its  action  on  the  body  in  terms  of  its  solubility      

Thin

kswap

Doc

umen

t

  18  

Orally  (tablet,  capsule  etc.)  • Generally,  the  more  soluble  a  drug,  the  quicker  will  be  its  absorption  and  

the  quicker  the  action  on  the  body.    • A  drug  must  be  stable  enough  to  survive  the  body's  digestive  system.    • Absorption  can  also  be  affected  by  the  presence  of  other  substances  and  

the  nature  of  membranes  through  which  the  drug  must  be  absorbed.  • Drugs  taken  orally  may  be  soluble  in  water,  soluble  in  alcohol  or  not  

soluble  in  either.  • When  an  acidic  drug  is  given  in  the  form  of  a  salt,  it  may  precipitate  in  the  

stomach  initially  but  can  be  readily  redissolved  in  the  intestine  and  be  absorbed.  

Sprays  • Some  drugs  are  prepared  as  sprays  to  act  directly  on  the  surface  of  the  

throat  or  nose,  or  to  be  absorbed  through  the  lining.    • Some  sprays  are  designed  to  be  inhaled  into  the  lungs  This  type  of  

administration  can  be  very  fast-­‐acting.    • Nasal  sprays  are  usually  aqueous  solutions.    

Creams  • Skin  applications  are  usually  intended  to  reach  the  skin  surface  or  the  

lining  of  the  sebaceous  glands  under  the  skin.    • Many  ingredients  of  skin  applications  are  soluble  in  fats  and  oils,  such  as  

the  type  found  in  the  layers  of  the  skin.  

5.6.  Identify  that  the  manner  of  administration  of  a  drug  may  be  related  to  its  solubility      Oral  application  

• If  a  drug  is  soluble  in  water,  it  may  be  administered  conveniently  in  a  number  of  ways,  including  orally  (as  solutions,  or  in  capsules  or  tablets),  by  inhalation,  or  as  eye-­‐drops,  nose-­‐drops  or  eardrops.  

• Some  drugs  will  dissolve  better  in  water-­‐alcohol  or  glycerol  solvents  and  may  then  be  administered  as  solutions,  suspensions  or  emulsions.  

Skin  application  • In  some  circumstances,  a  skin  application  may  be  intended  to  be  absorbed  

into  the  blood  stream  by  passing  through  the  lining  of  the  glands.    -­‐ To  help  penetrate  the  lining  they  need  to  be  fat-­‐soluble.    -­‐ In  this  case,  transdermal  patches  are  used  which  have  been  impregnated  

with  drugs  such  as  estrogen  or  nicotine.  • Subdermal  implants,  on  the  other  hand,  are  implanted  into  the  body  and  

the  drugs  are  released  into  the  lymphatic  system,  not  the  bloodstream.    • They  may  be  placed  inside  the  thigh  or  arm  or  in  the  stomach.  This  system  

ensures  a  continuous  slow  release  of  the  drug  required.  

5.7.  Explain  why  the  knowledge  of  the  solubility  of  materials  can  be  used  to  design  drugs  for  specific  purposes      

• When  drugs  are  being  designed,  scientists  consider  carefully  where  in  the  digestive  tract  the  drugs  should  be  dissolved,  ready  to  be  absorbed  into  the  bloodstream.    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  19  

• Scientists  may  need  to  ensure  that  a  drug:  -­‐ Dissolves  when  it  reaches  a  location  with  a  specific  pH  -­‐ Reaches  its  destination  without  being  broken  down  -­‐ Is  released  within  an  appropriate  timeframe.  • It  is  important  for  scientists  to  test  medicines  thoroughly  because  the  

digestive  tract  can  affect  the  drug  and  because  the  drugs  may  cause  damaging  side  effects.    

 

5.8.  Identify  vitamins  that  are  water-­‐soluble  and  those  that  are  fat-­‐soluble    • A,  D,  E  and  K  are  fat  soluble  • B  and  C  are  water  soluble  

                                                                           

Thin

kswap

Doc

umen

t

  20  

 

 

 

 

 

 

 

Chapter  2  Medical  Technology:  

Bionics                                  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  21  

1.  Increases  in  Scientific  understanding  and  technological  advances  have  broadened  options  for  

maintaining  humans  as  Functioning  organism  

Biomaterials  • Biomaterials  are  substances  that  can  be  safely  placed  in  contact  with  

living  tissue  without  the  tissue  reacting  against  it.  • They  are  synthesized  from  commercially  available  materials  or  purified  

from  naturally  occurring  substances  like  coral.  •  Biomedical  device  is  an  implant  or  device,  made  from  biomaterials,  which  

can  be  placed  in  the  body  and  will  function  there  • The  main  biomaterials  are:  

Metals  • Also  known  as  alloys  • The  main  alloys  used  in  biomaterials  are:  

Titanium  alloy:  Biocompatible,  unreactive,  strong,  easy  to  mold  or  shape,  wears  out  easily  Iron  alloy  (stainless  steel):  Strong,  easy  to  work  with,  cheap  to  manufacture,  tendency  to  corrode,  same  tensile  strength  as  titanium  but  more  denser  Cobalt  alloy:  more  expensive  than  stainless  steel  but  more  resistant  to  corrosion  

Ceramics  • Strong,  non–flexible,  resist  corrosion,  low  density,  easily  shaped  when  

wet,  heat  =  permanently  rigid  

Plastics  • Also  known  as  polymers  • The  main  polymers  are:  

Polyethylene:  linear  molecule  =  ultra  high  molecule  weight  polyethylene  (UHMWPE).  Very  strong,  denser  than  normal  polyethylene,  resistant  to  abrasion  and  cutting,  impact  and  corrosion  resistant,  self  lubricating,  tends  to  stretch  under  heavy  loads  Silicones  (experiment):  withstands  pressure,  flexible,  stretchy,  strong,  easy  to  cut  but  not  to  tear,  unreactive,  becomes  weak  and  falls  apart  when  rubbed  against  metal  

Replaceable  parts  

Eyes  • Cataracts  are  when  the  lens  of  the  eye  becomes  cloudy,  so  that  the  person  

can  not  see  clearly  • Cataract  surgery  =  a  small  cut  is  made  near  the  front  of  the  lens  –  

ultrasound  dissolved  the  damaged  lens  –  vacuumed  away  –  replacement  is  inserted  

 

Thin

kswap

Doc

umen

t

  22  

Teeth  • Crowns  are  used  to  cover  broken  teeth,  or  teeth  were  the  nerve  has  died  

Ear  • Cochlear  implant  is  a  bionic  ear,  pioneered  by  a  group  led  by  Aus  scientist,  

Graeme  Clarke.  It  is  not  the  same  as  a  hearing  aid  because  implanted  are  surgically  implanted.  

• Some  people  are  deaf  because  the  inner  ear  is  damaged.    • Cochlear  implants  replaces  the  damaged  part  by  converting  sound  to  

electrical  impulses  and  sending  them  to  the  brain.  • There  are  five  main  parts  of  the  bionic  ear:  1. Microphone:  picks  up  sound  2. Speech  processor:  select  and  arrange  sounds  picked  up  by  the  

microphone  3. Transmitter:  receive  signals  from  the  speech  processor  and  pass  them  

through  the  skin  to  the  receiver/  stimulator  4. Receiver/stimulator:  transform  signals  to  electrical  impulses  5. Electrodes:  collects  the  impulses  from  the  stimulator  and  sends  them  to  

the  brain  via  the  auditory  (hearing)  nerve  • Historical  developments  od  cochlear  implants:  1950’s:  auditory  nerve  stimulated  1961:  William  house  implemented  device  1978:  Graeme  Clark  implanted  first  multi-­‐channel  cochlear  implant  1980’s:  many  cochlear  implants  used,  with  speech  processor  in  pocket  

             1990’s:  miniaturization  Today:  external  component  of  implant  fits  behind  the  ear    

Heart  • Valve  is  a  device  that  controls  the  direction  of  flow  of  blood  through  the  

veins  of  the  heart.  • The  valve  allows  the  blood  to  flow  from  left  to  right  but  if  it  try’s  to  go  

right  to  left  (backwards)  it  will  not  be  able  to  get  through.    

 • It  is  able  to  get  through  backwards  an  artificial  valve  is  available  • Historical  developments  of  the  artificial  valve:  1950’s:  structure  of  heart  valves  studied  using  cadavers  1960:  ball-­‐in-­‐cage  valves  implanted  1962:  valves  transplanted  from  cadavers  with  healthy  hearts  1971:  artificial  tilt  valves  implemented  1978:  valves  that  work  like  a  bileaflet  disc  implanted  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  23  

1990’s:  wide  use  of  transplants  of  valves  from  pulmonary  veins  to  aorta  

Biomedical  Devices    

   

                         

Thin

kswap

Doc

umen

t

  24  

2.  The  regular  beating  of  the  heart  and  continuity  of  the  flow  of  blood  through  the  heart  and  around  the  

body  is  needed  to  maintain  good  health  

The  heart  

Structure  of  the  heart    • Top  two  chambers  =  atria.  Bottom  two  chambers  =  ventricles.  • Atria  pumps  blood  from  the  cells  of  the  body  through  the  veins  • Ventricles  pumps  blood  into  arteries  which  carry  the  blood  around  the  

body  • The  ventricles  have  thicker  walls  because  they  have  to  pump  blood  

around  the  body  • Diagram  of  the  heart:  

     

             

 

 

           

• Valves  prevent  blood  from  flowing  backwards  • The  valves  have  strong  flaps  which  are  attached  to  cords  connecting  with  

contracting  muscles  allowing  them  to  only  open  one  way  • There  are  three  types  of  blood  vessels:  Artery:  carry  blood  away  from  the  heart  (thick  muscular  wall)  

             Vein:  carry  blood  back  to  the  heart  (thinner)  Capillary:  substances  diffuse  in  and  out  of  them  (tiny)  

Circulation  of  blood  • The  five  steps  of  the  circulation  of  blood  are:  1. Deoxygenated  blood  comes  into  the  right  atrium,  then  to  the  right  

ventricle  of  the  heart.    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  25  

2. From  the  right  ventricle  it  is  pumped  to  the  lungs  where  it  becomes  oxygenated.    

3. Once  oxygenated,  it  returns  to  the  left  atrium  and  then  moves  to  the  left  ventricle.    

4. From  the  left  ventricle  it  is  pumped  to  the  rest  of  the  body.  5. After  circulating  through  the  body  it  is  returned  to  the  right  atrium.  

 

Heartbeat  • Heart  beats  because:  when  ventricles  contract  they  pump  blood  at  a  high  

pressure  into  the  arteries,  causing  the  walls  to  stretch  and  create  a  pulse.  • Measure  a  pulse  in  our  wrists,  temple  or  neck,  by  every  time  an  artery  

stretches  and  crosses  an  area  of  bone  close  to  the  surface  • Experiment:  When  we  exercise  our  pulse  rate  is  higher  this  is  because:    -­‐ The  muscles  use  more  energy    -­‐ To  get  this  energy  the  muscle  cells  must  burn  more  glucose  using  oxygen    -­‐ To  do  this  the  blood  must  flow  faster,  thus  the  heart  must  pump  faster.  • When  listening  through  a  stethoscope  we  hear:  -­‐ Lub  noise:  valves  closing  between  the  atria  and  ventricles  -­‐ Dub  noise:  valves  in  the  arteries  closing  • The  contractions  of  the  heart  are  controlled  by  electronic  impulses.  • These  impulses  are  measured  by  an  electrocardiograph  and  printed  out  

as  electrocardiograms  • Part  of  an  electrocardiogram:      

Thin

kswap

Doc

umen

t

  26  

• P  wave:  electrical  signals  make  atria  contract  causing  blood  to  be  forced  into  the  ventricles  

• QRS  wave:  electrical  signals  makes  ventricles  contract  and  at  the  same  time  the  valves  between  atria  and  ventricles  close  (lub)  so  blood  can  not  flow  back  into  the  atria  and  it  is  pumped  into  the  arteries  

• T  wave:  electrical  signal  spreads  back  over  the  ventricles  in  the  opposite  direction  causing  valves  between  ventricles  and  arteries  to  close  (dub)  

 • The  cardiac  muscle  is  contactable  tissue  that  makes  up  the  walls  of  the  

heart  • The  heart  beats  when  the  cardiac  muscle  contracts  and  relaxes.  • Specialized  cells  in  the  wall  of  the  right  atrium  called  the  sinotrial  node  

and  A/V  node  send  out  electrical  impulses  to  make  the  muscle  contract  and  relax.  

Problems  with  heartbeat  • Artificial  Pacemakers  can  be  used  for  life  threatening  abnormalities  in  

heart  contraction  rates  • Tachycardia  =  heart  beats  too  fast  (100  beats  per  minute)  • Bradycardia  =  heart  beats  too  slow  (50  beats  per  minute)  • Cardiac  arrest:  heart  stops  pumping  effectively  –  muscles  of  the  ventricles  

start  beating  fast  and  irregularly  without  pumping  blood    • Arrhythmia  occurs  when  conduction  of  impulses  from  the  sinotrial  node  

is  impaired  

Pacemakers  • The  natural  pacemaker  of  the  heart  is  the  sinotrial  node  • Artificial  Pacemaker:  a  small  electrical  device,  implanted  in  the  chest  to  

help  the  heart  beat  at  a  regular  rhythm  through  electrical  pulses.  • There  are  two  types  of  pacemakers:  • Fixed  rate:  continually  sends  out  electrical  impulses  at  the  same  rate  • Demand:  sends  out  impulses  if  the  heart  beat  is  irregular  • Historical  developments  of  artificial  pace  makers:  1920:  William  Einthoven  invented  the  electrocardiograph    1931:  first  artificial  pacemaker  1950:  external  cardiac  pacemaker  developed  1958:  first  internal  pacemaker:  operated  by  a  battery  –needed  frequent  charging  1960:  mercury  zinc  battery  capable  of  lasting  1  –  2  years  1969:  first  demand-­‐  pacemaker  1970:  lithium  iodine  batteries  were  developed  1990-­‐2007:  smaller,  longer  lasting  pacemakers  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  27  

• Advantages  of  technological  advances  for  pacemakers:    

Technological  advance   Development     Advantage  Long  lasting  batteries   Implemented  under  the  

skin  No  wires  passing  through  the  skin  

Casing  that  does  not  corrode  

No  corrosion     Last  longer  

Flexible  electrical  leads   Leads  can  be  pushed  through  blood  vessels  to  reach  the  heart  

No  need  for  surgery  

Biocompatible  substances   Implemented  without  rejection  

No  infections  

Miniaturization   Smaller   Smaller  and  lighter  Integrated  circuits/microchips  

Smaller   Less  effected  by  external  radiation  

Transmit  and  sense  and  store  information  using  electromagnetic  radiation  

Can  be  calibrated  by  remote  control  

Reduces  the  need  for  further  surgery  

 • The  two  main  materials  used  in  pacemakers  are:  

-­‐ Titanium  alloys:  biocompatible,  corrosion  resistant,  low  density,  non  –toxic,  smooth,  flexible  

-­‐ Polymers:  biocompatible,  corrosion  resistant,  low  density,  non  –toxic,  strong  

Heart  valves  • There  are  four  valves  in  heart:  

1. The  entry  to  the  aorta  (aortic  valve)  2. The  entry  to  the  pulmonary  vein  (pulmonary  valve)  3. The  right  atrium  (tricuspid  valve)  4. The  left  atrium  (mitral  valve)  

• The  function  of  these  valves  is  to  allow  blood  to  flow  in  one  direction  • Faulty  valves  can  arise  from:  

-­‐ Damage  by  infection  -­‐ Deformed  from  birth  

•  They  cause  blood  to  flow  backwards,  meaning  that  the  heart  can  not  pump  blood  effectively  causing  tiredness  and  shortness  of  breath  

• Experiment:  A  ping  pong  ball  inside  a  funnel  symbolizes  a  heart  valve:  -­‐ Exhaling:  ball  is  suspended  symbolizing  blood  flowing  forward    -­‐ Stop  exhaling:  ball  covered  the  hole  symbolizing  blood  being  stopped  to  

not  allow  it  to  go  backwards  • There  are  two  main  types  of  manufactured  heart  valves:  

 

Thin

kswap

Doc

umen

t

  28  

Ball  in  cage  • The  blood  pushes  the  ball  out  of  the  way  as  it  flows  through.  If  the  blood  

try’s  to  flow  backwards  it  pushes  the  ball  against  the  ring  sealing  the  space  

Bileaflet  valve  • Opens  to  allow  the  flow  of  blood  and  then  closes  prevent  its  backflow  • Less  turbulence  than  ball  in  cage  

Materials  • There  are  three  main  materials  used  in  artificial  heart  valves:  

Pyrolytic  carbon:  durable,  strong,  lightweight,  smooth  to  allow  the  even  flow  of  blood  to  prevent  clots  Metal  alloys:  durable,  strong,  lightweight,  corrosion  resistant  Teflon:  durable,  strong,  lightweight,  forms  a  smooth  non-­‐sticky  surface,  which  allows  blood  to  flow  smoothly  without,  clots.  

Blocked  Arteries  • Arteries  are  often  blocked  by  plaque.  • Heart  arteries  are  Conarary  arteries.    • Conarary  arteries  supply  oxygenated  and  nutrient  filled  blood  to  the  heart  

muscle  • Plaque  are  fatty  deposits  the  build  up  inside  the  walls  of  blood  vessels  • Plaque  can  cause  diseases,  block  blood  vessels,  harden  the  artery  walls  

(arteriosclerosis)  and  weaken  the  walls  of  blood  vessels  =  effecting  the  blood  flow  to  and  from  the  heart.  

• The  two  main  ways  of  unblocking  arteries:  

Angioplasty  • This  involves  a  thin,  

flexible  catheter  (tube)  with  a  balloon  at  its  tip  and  a  stent  around  it,  is  threaded  through  a  blood  vessel  to  the  affected  artery.    

• Once  in  place,  the  balloon  is  inflated  to  compress  the  plaque  against  the  artery  wall.    

• The  catheter  is  then  removed  with  the  stent  remaining,  allowing  blood  flow  through  the  artery.  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  29  

Bypass  surgery    • Involves  getting  a  saphenous  vein  from  the  patient’s  leg  a  using  it  to  

bypass  the  plaque  build  up  in  the  Conarary  artery.  • By  doing  this  it  completely  diverts  the  direction  of  blood  flow  around  the  

plaque  build  up.    

   

• If  you  have  blockages  in  three  or  more  coronary  arteries,  your  doctor  is  likely  to  recommend  bypass  surgery.  But  if  you  have  one  or  two  blocked  arteries  and  neither  is  the  vital  left  coronary  artery,  you  may  chose  either.  

Heart  Transplants  • An  artificial  heart  is  a  device  that  keeps  the  heart  beating  for  a  short  

amount  of  time  while  the  patient  waits  for  a  donor.  • When  the  donor  heart  is  transplanted  a  constant  immune  rejection  

medication  must  be  taken  to  combat  contracting  other  diseases  • Impact  on  society  of  heart  transplants:  -­‐ People  can  live  longer  and  have  a  better  quality  of  life  -­‐ Because  people  live  longer  the  older  age  will  live  longer  and  hence  need  

care  (health  care  and  elderly  homes)          

Thin

kswap

Doc

umen

t

  30  

       3.  The  wide  range  of  movements,  continual  absorption  

of  shocks  and  diseases  make  the  skeletal  system  venerable  to  damage  but  new  technologies  are  

allowing  the  replacement  of  some  damaged  structures  

The  skeleton  • There  are  four  parts  of  the  skeletal  system:  -­‐ Bones:    The  dense,  semi  rigid,  porous,  calcified  connective  tissue  forming  

the  major  portion  of  the  skeleton  of  most  vertebrates.  -­‐ Muscles:  A  tissue  composed  of  fibers  capable  of  contracting  to  effect  

bodily  movement:    -­‐ Tendons:  A  flexible  

but  inelastic  cord  of  strong  fibrous  collagen  tissue  attaching  a  muscle  to  a  bone  

-­‐ Ligaments:  a  band  of  fibrous  tissue  connecting  two  bones  at  a  joint.  

-­‐ Cartilage:  the  smooth  covering  over  the  ends  of  joints  

• Function  of  skeleton  =  provide  support  and  shape  for  the  body,  protect  internal  organs  and  allow  movement  

• Diagram  of  the  human  skeleton    

• Experiment:  when  placing  chicken  wings  in  hydrochloric  acid  for  two  days,  they  were  taken  out  and  were:  rubbery,  soft  and  easy  to  bend.  This  was  because:  

-­‐ The  hydrochloric  acid  dissolved  minerals  such  as  calcium  from  the  bones.  -­‐ Since  calcium  makes  bones  hard  and  strong,  the  bones  were  flexible  

because  they  lacked  it  

Spongy  and  compact  bones  • Compact  bone  provides  for  support,  it  has  little  ability  to  absorb  shock.    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  31  

• Spongy  bone  is  not  as  hard  or  strong  as  compact  bone  but  it  is  lighter  and  is  able  to  absorb  shock  better  

 

Joints  • Joints  allow  bones  to  move  in  different  directions.  

 

Synovial  Joints    

 

 • Synovial  joints:  are  a  joint  enclosed  in  a  capsule  and  lubricated  by  a  fluid.  • Synovial  joints,  their  location,  and  the  type  of  movemnt  they  allow:  

   

• Cartilage  forms  the  layer  between  bones,  allows  a  smooth  movement  of  joints  -­‐  reducing  friction  and  cushioning  impact  between  two  bones  

• Synovial  Fluid  comes  from  the  synovial  membrane,  it  lubricates  the  joint  to  reduce  friction  

Replacing  joints  • The  most  common  materials  for  replacing  joints  are:  

Type  of  joint   Locations   Movement  Ball  and  socket   Shoulder,  hip   Circular  motion  Hinge   Fingers,  elbow  knees   To  and  from,  single  plan,  

like  a  door  Double  hinge   Thumb   Side  to  side,  to  and  from  Sliding   Spinal  bones,  tarsal  

bones  on  the  foot  Flattened  or  slightly  curved  surfaces  move  across  each  other  in  two  planes  

Pivot   Neck   One  bone  rotates  around  the  other  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  32  

Silicones  • The  properties  of  silicone  that  make  it  suitable  for  use  in  biomaterials  

include:  -­‐ Flexible  -­‐ Elastic    -­‐ Insoluble  -­‐ Impervious  -­‐ Inert  (acid  resistant)  -­‐ Absorbs  impact  -­‐ Low  friction  surface  • Silicone  would  be  the  most  suitable  substitute  in  coating  small  joints  in  

fingers  and  toes  • This  is  because  it  is  biocompatible  and  is  as  strong  and  flexible  as  natural  

joints  

 UHMWPE  • Ultra,  high,  molecule,  weight,  polyethylene,  is  a  polymer  made  from  

thousands  of  ethylene  joined  together.  • It  is  mostly  used  to  replace  cartilage  in  joints  because:  

 

 Polyethylene  Coating  

• Artificial  joints  are  coated  in  polyethylene  because:  -­‐ Smoother  =  reducing  friction  -­‐ Easier  to  compress  =  helps  absorb  impact  -­‐ If  they  weren’t  coated  the  metal  would  rub  against  the  bone  and  

accumulate  joint  problems  

Superalloy’s  • A  superalloy  is  made  from  a  mixture  of  metals  such  as:  -­‐ Titanium  alloy  -­‐ Molybdenum  alloy  -­‐ Cobalt  chromium  • It  is  suitable  for  the  ball  and  stem  of  large  joints  because:  -­‐ High  strength  =  to  be  able  to  support  weight    -­‐ Low  density  =  to  feel  the  same  as  the  natural  joint  -­‐ Biocompatible  =  so  it  doesn’t  react  -­‐ Inertness  =  so  it  doesn’t  corrode  or  rust  

Properties  of  UHMWPE   Reasons  for  suitability  Biocompatible     Will  not  be  rejected  Similar  density  to  living  tissues   Will  not  cause  problems  because  it  has  

the  same  weight  Durable     Lasts  a  long  time  with  out  

replacements  Low  friction   Reduces  friction  in  the  joint  Hard,  strong  and  resists  deformity   Will  maintain  its  shape  Highly  elastic   Stretches  with  joint  and  will  absorb  

impact  Thin

kswap

Doc

umen

t

  33  

• Superalloys  are  much  stronger  than  polyethylene  materials  such  as  UHMWPE  but  additionally  have  higher  density  and  much  lower  flexibility.    

• Therefore  making  them  useful  for  different  parts  of  an  artificial  joint  

Implementation  of  artificial  joints  • Joints  can  either  be  cemented  or  un-­‐cemented  into  place  

Cemented  • The  cement  is  a  chemical  called  ‘methyl  methacrylate’  • This  is  mixed  with  a  catalyst  which  makes  the  cement  form  long  polymer  

chains  into  the  surrounding  bone  tissue  • This  makes  a  strong  bond  between  the  replacement  and  the  surrounding  

bone  

Uncemeted    • Implants  that  aren’t  cemented  are  made  with  microscopic  pores  so  the  

body’s  own  tissue  can  grow  into  and  around  the  implant  to  hold  it  in  place  

Advantages  and  Disadvantages  • Cemented  implants  don’t  last  as  long  as  uncemeted  • Recovery  after  the  operation  is  much  quicker  with  cemented  

                                                       

Thin

kswap

Doc

umen

t

  34  

       

4.  Life  support  systems  can  be  used  to  sustain  life  during  operations  or  while  the  body  repairs  itself  

• The  respiratory  system  is  the  biological  system  that  introduces  respiratory  gases  to  the  interior  and  performs  gas  exchange.  

• A  diagram  of  the  respiratory  system:  

                       

• The  alveoli  are  the  final  branching’s  of  the  respiratory  tree  (end  of  the  bronchioles)  and  act  as  the  primary  gas  exchange  units  of  the  lung.  

• Experiment:  balloons  representing  lungs  attached  by  a  glass  tube  representing  the  trachea,  in  side  of  a  glass  jar  representing  the  chest,  with  rubber  across  the  opening  of  the  jar  representing  the  diaphragm.  

• Pulling  down  on  the  rubber:  the  size  of  the  inside  cavity  of  the  chest  is  increased  so  pressure  inside  is  less  than  outside  air  pressure,  the  air  

Parts  of  respiratory  system   Functions  Nasal  passages   Warm  and  filter  air  Trachea  (windpipe)   Carry  air  from  throat  to  bronchi  Larynx  (voice  box)   Allow  for  speech  Bronchi     Carry  air  from  trachea  to  lungs  Alveoli   Fill  with  inhaled  air  so  exchange  of  

gases  can  occur  Capillaries   Form  a  network  of  blood  vessels  

around  alveoli  Epiglottis     Prevents  food  entering  the  trachea  

when  we  swallow  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  35  

rushes  to  equalize  and  the  balloons  fill  up.  • Pushing  up  on  the  rubber:  the  inside  cavity  of  the  chest  is  deceased,  so  

pressure  inside  is  greater  than  outside  pressure,  air  is  pushed  out  and  balloon  empties  

Cardio-­‐pulmonary  Resuscitation  • Cardio-­‐pulmonary  Resuscitation  (CPR)  consists  of  two  parts:  -­‐ EAR  (expired  air  resuscitation):  supplying  air  to  the  lungs  when  the  

person  is  not  breathing  -­‐ ECC  (external  cardiac  compression):  maintaining  heartbeat  by  external  

compression,  so  as  to  keep  the  blood  circulating  around  the  body  • CPR  can  maintain  life  when  the  heart  has  stopped  beating  because  

exhaled  air  contains  some  oxygen  (17%)  • Therefore  oxygen  can  be  supplied  to  lungs  by  expired  air  resuscitation  • Experiment:  limewater  goes  cloudy  (milky)  with  inhaled  air  and  very  

cloudy  with  exhaled  air  -­‐ Therefore  exhaled  air  has  more  CO2  than  inhaled  air  

Artificial  lungs  • When  the  patient  has  functioning  lungs  the  artificial  lung  used:    -­‐ Is  a  mechanical  device  that  forces  air  in  and  out  of  the  lungs  -­‐  To  ensure  carbon  dioxide  is  removed  and  replaced  with  oxygen  at  the  

same  concentration.  • When  the  lungs  are  diseased  or  not  functioning:  -­‐ An  IMO  (intravenous  membrane  generator)  is  used.  -­‐ This  device  is  inserted  into  one  of  the  large  veins  that  lead  into  the  right  

atrium  -­‐ The  blood  is  oxygenated  and  CO2  removed  before  the  blood  reaches  the  

heart  -­‐ This  bypassing  the  lungs,  allowing  them  to  recover  • The  operations  that  would  require  an  artificial  lung  are:  -­‐ Lung  surgery  

Life  support  systems  • Life  support  systems  is  medical  equipment  that  assists  or  replaces  

important  bodily  functions,  enabling  a  patient  to  live  who  otherwise  might  not  survive  

• Two  of  these  include:    Heart  lung  machine  -­‐ A  Heart  lung  Machine  consists  of  a  chamber  that  receives  the  blood  from  

the  body,  which  is  then  pumped  by  the  machine  through  an  oxygenator.  -­‐  The  oxygenator  removes  the  CO2  and  adds  oxygen.  The  pump  then  

pumps  this  newly  oxygenated  blood  back  to  the  body  -­‐ Used  in  Heart  and  lung  transplants  and  bypass  surgeries  (because  they  

need  to  stop  blood  pumping  in  the  heart)  when  a  person  has  a  very  diseased  heart  

 Kidney  dialysis  machine  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  36  

-­‐ Is  a  machine,  which  takes  over  the  role  of  the  kidneys  if  they  are  damaged,  diseased,  or  undergoing  a  kidney  transplant.  

-­‐ Blood  is  diverted  through  the  dialysis  machine,  waste  such  as  urea  is  filtered  from  the  blood  and  the  blood  is  then  returned  to  the  body  

5.  The  use  of  non  –  invasive  or  minimally  invasive,  medical  techniques  has  greatly  reduced  risks  to  

patients  and  has  increased  our  understanding  of  how  the  body  works  

Tools  for  diagnosis  • There  are  two  types  of  medical  techniques  for  diagnosis:  

Minimally  Invasive  medical  techniques  • Techniques  that  use  very  small  incisions  or  have  a  minor  effect  on  the  

body  • These  include  techniques  such  as:  

 Keyhole  surgery  (endoscopy)  

• An  endoscope  is  a  tube,  which  can  be  inserted  into  the  body  through  small  incisions  or  body  openings.  

• Which  contains  optical  fibers  to  study  the  inside  of  the  body    • Advantages:  -­‐ Endoscopes  allow  the  surgeon  to  view  inside  the  body  without  having  to  

make  large  incisions  and  in  some  cases  without  having  to  make  an  incision  at  all  (nose,  mouth,  anus)  

• Disadvantages:  -­‐ Endoscopes  allow  only  a  small  area  to  be  illuminated  at  a  time  -­‐ A  picture  of  the  whole  diagnostic  area  must  be  built  up  from  smaller  parts  -­‐ Endoscopy  may  not  detect  some  conditions  • Used  to:  study  areas  of  problems  in  the  body,  remove  gall  stones,  to  look  

for  cancer,  look  for  blockages  in  the  fallopian  tubes  • Impact  on  understanding  of  how  the  body  works:  -­‐ Real  life  image  of  the  inside  of  the  body  -­‐ Therefore  helping  doctors  understand  what  it  looks  like  

Non  -­‐  invasive  medical  techniques  • Techniques  that  investigate  the  human  body  without  surgery  or  that  do  

not  affect  the  body’s  normal  functioning  • These  include  techniques  such  as:  

 X-­‐ray  machines  

• X-­‐ray  machines  are  high  frequency  electromagnetic  radiation,  that  passes  through  soft  tissues  and  leaves  an  image  of  hard  tissues,  such  as  bones,  on  photographic  film  

• Advantages  -­‐ Quick  and  painless  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  37  

-­‐ They  help  radiologists  identify  cracks,  infections,  injury,  and  abnormal  bones.  

-­‐ They  also  help  in  identifying  bone  cancer.  -­‐ X-­‐rays  help  in  locating  alien  objects  inside  the  bones  or  around  them.        

• Disadvantages  -­‐ X-­‐rays  makes  our  blood  cells  to  have  higher  level  of  hydrogen  

peroxide,  which  could  cause  cell  damage.  -­‐ A  higher  risk  of  getting  cancer  from  X-­‐rays.  -­‐ The  X-­‐rays  are  able  to  change  the  base  of  the  DNA  causing  a  mutation.  

• Used  to:  detect  bone  abnormalities  and  to  detect  breast  cancer  • Impact  on  understanding  of  how  the  body  works:  

-­‐ For  the  first  time  doctors  were  albe  to  see  inside  the  body  without  cutting  it  open  

-­‐ Allowed  doctors  to  see  bone  fractures  and  study  the  healing  process    

Ultrasound  • Ultrasound  uses  high  frequency  sound  waves  to  form  pictures  of  organs  

inside  the  body,  which  reflect  the  sound  waves.  • Advantages:  

-­‐ Quick,  painless  and  inexpensive  -­‐ Safe  =sound  waves  are  low  energy/harmless  

• Disadvantages:  -­‐ Ultrasound  pictures  are  not  always  clear  -­‐ A  technician  is  needed  to  conduct  it  

• Used  to:  monitor  valve  problems,  monitor  the  development  of  embryos  and  to  look  for  the  presence  of  gall  stones  

• Impact  on  understanding  of  how  the  body  works:    -­‐ Provided  great  info  about  the  development  of  the  human  embryo  -­‐ Helped  doctors  understand  the  actions  of  heart  muscles  and  valves  

 Magnetic  Resonance  Imaging  (MRI)  

• An  MRI  is  a  technique  where  large  magnetic  fields  are  used  to  obtain  3D  images  of  the  inside  of  the  body  

• Advantages:  -­‐ Can  provide  cross  sectional  images,  building  up  a  3D  image  of  the  area  -­‐ Provides  more  information  than  x-­‐rays  

• Disadvantages:  -­‐ Affected  by  movement  -­‐ Very  expensive  -­‐ Makes  some  patients  feel  claustrophobic  

• Used  to:  detect  spine,  joint  or  muscle  problems,  detect  Brain  tumors  and  abnormalities  and  Heart  or  blood  vessel  problems  

• Impact  on  understanding  of  how  the  body  works:  -­‐ Improved  understanding  of  the  structure  and  functions  of  the  body  

components  -­‐ Increased  knowledge  of  how  the  brain  functions  

     

Thin

kswap

Doc

umen

t

  38  

 

 

 

 

Chapter  3  Information  systems                                            

Thin

kswap

Doc

umen

t

  39  

1.  Information  systems  are  many  and  varied  and  depend  on  the  transfer  of  

energy  from  place  to  place  1.1  Identify  a  range  of  information  systems  used  daily  

• Some  information  systems  used  daily  include:  -­‐ Talking  and  listening:  in  person,  telephone,  radio  and  television  -­‐ Reading  written  info:  in  newspapers,  magazines,  letters    -­‐ Electronic:  using  computers  and  faxes  

1.2  classify  information  systems  as:  Verbal  and  nonverbal,  Short  distance  and  long  distance,  Electronic  and  non-­‐electronic  

• Verbal:  includes  words  both  spoken  and  written  (email,  talking)  • Non-­‐verbal:  no  words  (smoke  signals,  sign  language)  • Short  distance:  in  person  (facial  expressions)  • Long  distance:  not  in  person  (radio)  • Electronic:  uses  electricity  to  communicate  (TV)  • Non-­‐electronic:  doesn’t  need  electricity  (photographs)  

1.3  Outline  the  basic  pattern  of  the  information  transfer  process  as:  code  common  to  both  parties,  message,  transmission  of  coded  message  and  decoder  

• Code  common  to  both  parties  -­‐ Pictures,  words  and  music  are  examples  of  codes.    -­‐ The  sender  deliberately  uses  agreed  conventions  or  codes,  which  must  

be  learned,  to  construct  a  message.  • Message:    

-­‐ A  message  to  be  transferred  electronically  may  have  to  be  coded  again,  so  that  it  can  alter  the  carrier  current  or  wave  in  a  systematic  and  consistent  way.    

-­‐ The  two  ways  of  doing  that  are  by  either  analog  or  digital  means.    • Transmission  of  coded  message  

-­‐ Once  the  carrier  current  or  wave  has  been  coded,  it  is  sent  to  the  required  destination.    

-­‐ Modern  communication  systems  use  either  an  electric  current  or  electromagnetic  waves  to  carry  messages.  

• Decoder  -­‐ Two  steps  are  now  involved  in  extracting  the  message  -­‐ The  first  detects  and  separates  the  code  from  the  carrier  current  or  

wave.    -­‐ The  second  involves  converting  that  code  into  a  form  that  the  

receiver’s  senses  can  detect  and  interpret  to  make  meaning.    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  40  

1.4  Recall  phenomena  and  events  where  different  forms  of  energy  are  used  • Different  types  of  energy  include:  Chemical,  heat,  light,  magnetic  

electrical,  kinetic,  potential,  solar,  sound,  electromagnetic  and  nuclear  • Energy  changes  that  occur:  

Appliance   Energy  change  Electric  kettle   Electrical    Heat  Toaster   Electrical    Heat  and  light  Solar  cell   Solar    Electrical  Microwave   Electrical    Electromagnetic  radiation  and  heat  Torch  battery   Chemical    Electrical  Car  using  petrol  as  fuel    

Chemical    kinetic  and  heat  

 

1.5.  Gather  and  process  first-­‐hand  and  secondary  information  on  the  basic  pattern  of  the  information  transfer  process  in  the  following  systems:  -­‐  Land  connected  telephone  -­‐  Mobile  phones  -­‐  Television  -­‐  Radios  -­‐  Compact  Disc  players  To  outline  features  that  the  systems  have  in  common  and  use  available  evidence  to  discuss  the  applications  of  these  systems            Land  connected  telephone    Info  transfer  process  

• Sound  →  coded  by  microphone  to  electrical  signals  →  transmitted  through  electrical  cables  →  Speaker  in  receiver  →  Decoded  to  sound  

Application:  Communication    Mobile  Phones  Info  transfer  process  

• Sound  →  coded  in  microphone  →  transmitted  via  microwaves  from  tower  to  tower  →  detected  by  receiving  mobile  →  decoded  →  sound.  

Situation   Code     Transmission   Decoding  Talking  to  another  person  

Language   Sound  waves   Ear  and  brain  

Sending  a  fax   Digital  signals   Electric  current   Printer  Watching  TV   Language   Electric  current,  

radio  waves  Aerial  and  TV  

Listening  to  radio  

Language   Electric  current,  radio  waves  

Areal  and  radio  speakers  

Remembering  the  information  transfer  process  refers  to:  code  →  message  →  transmission  →  decoder  

 

Thin

kswap

Doc

umen

t

  41  

Application:  Communication    Television  Info  transfer  process  

• Sound  and  light  →  coded  by  camera  and  microphone  →  transmitted  through  electricity  cables  →  converted  to  radio  waves  and  transmitted  at  transmitting  tower  →  detected  by  aerial  →  decoded  by  TV  →  sound  and  light  pattern  

Application:  Entertainment    Radio  Info  transfer  process  

• Sound  →  coded  by  microphone  →  transmitted  through  electricity  cables  →  converted  to  radio  waves  →  detected  by  aerial  →  decoded  by  radio  →  sound  

Application:  Mass  entertainment    Compact  disc  players  Info  transfer  process  

• Sound  →  coded  by  microphone  →  laser  light  →  decoded  by  player  →  electrical  →  sound.  

Application:  entertainment    What  they  all  have  in  common  

• They  all  involve  energy  transformations,  coding  of  information,  electric  currents  and  decoding  devices.  

• They  are  all  electronic,  that  is,  they  require  electricity.  • They  are  capable  of  transmitting  information  over  long  distances  (except  

compact  disc  player)  

 1.7.  Gather  and  process  information  from  secondary  sources  to  develop  a  timeline  of  communication  systems  introduced  to  society  and  use  the  available  evidence  to  analyze  the  impact  these  systems  have  had  on  society  and  predict  possible  future  directions  in  communication  technologies    Communication  

system  Impact  on  society  

Land  connected  telephones  

• Long  distance  communication  • Increased  speed  of  communication  • People  could  work  from  home  

Mobile  phones   • People  could  keep  in  touch  easier  • People  could  call  for  help  if  they  were  in  trouble  

Television   • Rapidly  spread  news  events  to  people  i.e.  impending  disasters    

• Entertainment  • Advertisements  

Radio   • Up  to  date  news  bulletins    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  42  

• Music  • Two  way  communication  i.e.  talkback  

Compact  disc  players  

• Different  types  of  music  could  be  stored  in  one  device  • Fast  access  • Increased  capacity  to  store  info  in  a  small  space  

 Future  directions  in  communication  technology  

• Decrease  size  =  more  portable  • Increase  in  schooling/education  through  computers    • More  shopping  will  be  done  electronically  rather  than  physically  

1.8.  Discuss  the  advantages  of  using  a  range  of  information  systems  • Some  systems  lend  themselves  better  to  specific  applications.    

-­‐ For  example,  the  coding  systems  used  in  FM  radio  are  not  destroyed  by  natural  phenomena,  such  as  electrical  storms,  during  transmission.    

-­‐ AM  radio  can  be  transmitted  over  greater  distances  than  FM  radio  but  the  signals  may  be  interfered  with  by  electrical  storms  and  other  nearby  communication  equipment.  

• Access  to  a  choice  of  systems  is  inherently  more  reliable.  For  example,  international  telephone  calls  can  go  via  cable  or  satellite.  If  one  fails,  the  other  can  take  over.  

• If  you  are  an  advertiser,  the  choice  of  radio,  TV,  print  or  Internet  means  that  your  message  is  more  likely  to  be  received  and  appropriately  interpreted  by  the  receiver.  

           

           

Thin

kswap

Doc

umen

t

  43  

2.  Electromagnetic  radiation  can  be  modulated  to  carry  different  types  of  

information  2.1.  Identify  the  types  of  waves  in  the  electromagnetic  spectrum  currently  used  for  communication  systems  as:  -­‐  Visible  light  -­‐  Infra-­‐red  -­‐  Microwaves  -­‐  Radio  waves,  which  include:  TV,  FM  radio  waves  and  AM  radio  waves    Properties  of  a  wave  

• Waves  are  produced  by  vibrations.    • They  carry  or  transmit  energy.    

                     

• A  wavelength  is  the  distance  between  two  successive  points  on  a  wave  (crests)  

• The  frequency  is  the  number  of  waves  passing  a  point  each  second,  measured  in  hertz  (Hz).  

 The  electromagnetic  spectrum  

• Is  a  series  of  waves,  which  consist  of  fluctuating  electric  fields  and  which  vary  in  frequency  and  wavelength  

           Types  of  waves  used  for  communication  systems  are:  

• Visible  Light:  optical  fibers  • Infra-­‐red:  laser  optical  fibers  and  remote  control  devices  • Microwaves:  satellites  and  mobile  phones  • Radio  waves:  TV,  FM  and  AM  radio  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  44  

2.2.Perform  a  first-­‐hand  investigation  to  observe  ways  in  which  waves  can  be  modulated  to  carry  different  types  of  information  

• Modulated  waves  are  modified  or  changed.    • Radio  waves  are  modulated  because:  

-­‐ An  unmodulated  wave  would  be  very  weak,  with  only  very  long  aerials  being  able  to  detect  them  

-­‐ Everyone  would  transmit  at  the  same  frequencies  –  so  there  could  only  be  one  radio  station  in  each  area  

• The  carrier  wave  is  the  basic  wave  being  transmitted  from  a  radio  station  • The  modulation  in  AM  and  FM  radio  is  different:  

-­‐ AM  (amplitude  modulation):  carrier  wave  is  modulated  by  adding  the  wavelengths  of  the  sound  wave  from  the  microphones  to  the  carrier  wave  

-­‐ This  then  changes  the  amplitude  of  the  carrier  wave  producing  an  AM  signal  

-­‐ FM  (frequency  modulation):  carrier  wave  is  modulated  by  adding  the  frequency  of  the  sound  wave  from  the  microphones  to  the  carrier  wave  

-­‐ This  then  changes  the  frequency  of  the  carrier  wave  producing  an  FM  signal  

2.3.  Compare  the  advantages  and  disadvantages  of  using  microwaves  and  radio  waves  in  communication  technologies  

     2.4.Identify  communication  technologies  that  use  energies  from  the  electromagnetic  spectrum  for  communication  purposes  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  45  

 Electromagnetic  wave   Communication  technologies  that  use  

these  electromagnetic  waves  Visible  light   Faxes,  phones,  computer-­‐based  

communication  transmit  digital  information  at  the  speed  of  light  through  optical  fibers  in  the  phone  line  

Infra-­‐red   Remote  control  devices  for  TV  and  radio  

Microwaves   Land  based  telephone  systems,  satellite  TV  communication  and  mobile  phones  

FM  radio  waves   TV,  FM  radio  stations  AM  radio  waves   AM  radio  stations  and  two-­‐way  radios                                                                

Thin

kswap

Doc

umen

t

  46  

3.  Electromagnetic  waves  have  different  properties  which  are  utilized  in  a  range  of  communication  systems  through  air  and  space  3.1.Identify  that  where  information  systems  cannot  be  physically  linked  the  information  may  be  transmitted  in  wave  form  through  the  atmosphere  or  space  

• Communication  systems  that  have  a  physical  link  include:  landline  phones  and  faxes  

• Communication  systems  that  don’t  have  a  physical  link  are  transmitted  in  waveform  as  electromagnetic  radiation  passes  through  the  atmosphere  or  space  

 3.2.Identify  the  properties  of  energy  from  the  electromagnetic  spectrum  that  make  it  useful  in  communication  technologies  including  its:  -­‐  Speed  of  travel  -­‐  Ability  to  travel  in  a  straight  line    -­‐  Ability  to  be  reflected  

3.3.  Describe  the  individual  properties  of  visible  light,  radio  waves  (AM,  FM,  TV  waves)  and  microwaves  and  relate  these  to  their  use  in  communication  systems    Visible  light  

• Travels  at  the  speed  of  light,  in  straight  lines  and  can  be  reflected  along  optical  fibers:  so  it  can  scan  pages  in  fax  machines  and  transmit  digital  info  through  optical  fibers  almost  instantly.  

 Microwaves  

• Travel  at  high  speeds  and  can  be  reflected:  instantaneous  communication  • Travels  in  straight  lines:  so  the  repeater  stations  must  be  in  sight  of  each  

other    Radio  waves  (FM)  

Property   Application  Travels  at  300  000  000  ms-­‐1   Information  is  relayed  almost  instantly  Travels  in  a  straight  line  in  a  uniform  medium  

If  the  medium  changes,  the  waves  will  be  refracted.  If  the  medium  is  uniform,  waves  can  travel  directly  to  their  target  

Can  be  reflected   Waves  can  be  reflected  off  satellites  and  along  optical  fibers.    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  47  

• The  audio  signal  changes  the  frequency  of  the  carrier  wave  producing  an  FM  signal:  affected  less  by  electrical  interference  and  produce  a  higher  quality  transmission  of  sound.  

 Radio  waves  (AM)  

• The  audio  signal  changes  the  amplitude  of  the  carrier  wave  producing  an  AM  signal:  allowing  it  have  a  greater  range  than  FM  

 Radio  waves  (TV)  

• A  wider  bandwidth  than  radio  stations:  Carry  both  sound  and  visual  information    

3.4.  Plan  choose  equipment  or  resources  for,  and  perform  a  first-­‐hand  investigation  to  compare  the  quality  of  reception  of  AM  and  FM  radio  waves  Method  

1. Set  the  radio  at  AM  2. Wrap  the  radio  in  foil.  Test  its  signal.  Test  it  with  no  foil  3. Set  the  radio  to  FM.  Repeat  step  2  4. Record  results  

 Variables  Independent:  AM  and  FM  radio  waves  Dependent:  quality  of  reception  as  measured  by  the  range  of  frequencies  detected  by  a  cathode  ray  oscilloscope.    Results  Quality  of  reception  (loudness)  Radio  station   Wrapped  in  foil   Not  wrapped  in  foil  AM  954  kHz   Soft   Loud  AM  1170  kHz   Soft   Loud  FM  104.1  kHz   Loud   Loud  FM  96.9  kHz     Loud   Loud    Conclusion  AM   Amplitude  

changes  when  audio  signal  added  

AM  greater  range  than  FM  (longer  wavelength)    

Lots  of  interference  from  electrical  appliances    

FM   Frequency  changes  when  audio  signal  added  

FM  usually  narrow  range  (shorter  wavelength)    

Less  interferences  (electrical  appliances  use  frequencies  closer  to  AM)  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  48  

4.  Geostationary  satellites  relay  and  transmit  information  from  the  other  side  of  the  world  4.1.  Gather,  process  and  analyze  information  from  secondary  sources  to  identify  the  satellites  used  for  ‘live’  telecast  from  other  regions  of  the  world  to  Australia  and  vice  versa  and  to  present  reasons  why  communication  satellites  have  different  aerials  and  positional  orbits    

• A  satellite  is  an  object  that  moves  around  the  planet  in  a  circular  or  elliptical  path  (this  path  is  called  an  orbit)  

• Four  functions  of  satellites:    1. Communication  2. Prediction  of  weather  3. To  obtain  military  info  4. Monitoring  the  environment  in  scientific  research  

• The  first  use  of  satellites:  in  1962,  Telstar,  was  put  in  orbit  to  transmit  telephone  calls  and  transatlantic  TV  broadcasts  

• The  speed  of  the  satellite  being  placed  in  orbit  is  important  =  the  speed  must  be  correct  for  their  altitude  so  it  can  stay  in  orbit.  

• For  AUS,  satellites  are  used  for  live  telecasts  and  telephone  calls  from  other  regions  of  the  world.    

• Uplink:  info  transmitted  to  the  satellite  from  earth  Downlink:  a  signal  which  has  been  collected,  boosted,  had  its  frequency  changed  and  sent  to  earth    

• Satellites  absorb  energy  from  the  sun  by  solar  panels  which  store  it  as  chemical  energy  for  during  the  night  

• Satellite  footprint  =  area  it  can  send  and  receive  messages  • Satellites  have  different  aerials  and  positional  orbits  because:  

-­‐ Aerials:  because  they  use  different  frequencies  to  transmit  and  receive  on  

-­‐ Positional  orbits:  low:  below  

Type  of  satellite  orbit  

Typical  altitude  (Km)  

Satellite  use  

High  earth  orbit  

36  000   • TV  and  telephone  transmission    • Provides  continuous  contact  for  an  area  

Medium  earth  orbit  

10  000   • Land  images  • Weather  forecasts  • Telephone  communication  (changes  to  

different  satellites  as  one  moves  out  of  range  

Low  earth  orbit   1000   High  altitude,  artic  +  Antarctic  communication  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  49  

4.3.Explain  why  the  satellite  must  be  at  a  height  where  its  revolution  period  is  the  same  as  that  of  the  Earth’s  period  of  rotation    

• A  geostationary  satellite  is  a  special  geosynchronous  satellite,  and  is  one  that  orbits  the  Earth  at  the  same  period  as  the  period  of  rotation  of  the  Earth  so  that  its  position  in  the  sky  relative  to  any  position  on  Earth  is  always  the  same  

• An  object  in  such  an  orbit  has  an  orbital  period  equal  to  the  Earth's  rotational  period  (one  sidereal  day),  and  thus  appears  motionless,  at  a  fixed  position  in  the  sky,  to  ground  observers  

• Thus,  if  they  are  travelling  with  exactly  the  correct  speed  they  never  actually  get  any  closer  to  the  Earth’s  surface.    

• Tracking  stations  on  Earth  use  radio  signals  to  activate  small  rockets  on  the  satellite  to  keep  them  in  the  correct  orbit.  

 

4.2.  Explain  why  an  Earth-­‐based  satellite  dish  must  always  face  the  geostationary  satellite  communicating  with  it  

 • The  receiving  dish  on  earth  must  be  large  as  the  signal  is  relatively  weak  -­‐

-­‐  due  to  the  satellite  dish  being  quite  distant  at  approximately  36,000  km.  • As  a  result  of  this  the  satellite  dish  must  face  the  same  direction  at  all  

times  to  ensure  that  signals  are  received  and  retransmitted  in  the  correct  directions  to  the  intended  receivers.  

• These  satellites  are  used  for  communication  because  they  always  have  the  same  line  of  sight  access  to  a  specific  region  of  the  earth  

                     

 

 

     

   

Thin

kswap

Doc

umen

t

  50  

                               

5.  Information  can  be  transmitted  in  the  form  of  electrical  impulses  

5.1.  Gather,  process,  analyze  and  present  information  from  secondary  sources  to  identify  energy  transfers  involved  in  coding  and  decoding  information  by  digital  technologies.    

• There  are  two  types  of  info  systems:  -­‐ Analog:  info  is  transmitted  as  a  wave  -­‐ Digital:  info  is  transmitted  as  numbers  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  51  

• Digital  technology  uses  pulsed  electrical  or  electromagnetic  signals  as  the  transmitting  code.  -­‐ For  example,  computer  based  technology  is  coded  into  a  series  of  

zeros  and  ones  (binary)  • Energy  is  transferred  in  computer  dial  up  internet  through  the  telephone  

line,  the  receiving  computer  modem  changes  the  analog  electrical  signal  back  to  a  digital  electrical  system    

• Energy  is  transferred  in  optical  fibers  by  the  message  being  sent  as  a  series  of  digital  energy  pulses,  which  are  then  changed  to  digital  electrical  pulses  and  analog  electrical  signals  

5.2.  Identify  communication  technologies  that  transform  one  type  of  energy  into  electrical  energy    

• Some  examples  of  communication  technologies  that  transform  different  types  of  energy  into  electrical  energy  are:  

 

5.3.  Describe  the  transmission  of  images  using  digital  technologies  in  terms  of  scanning  of  the  input  image  along  very  thin  lines    

• Info  is  copied  in  a  fax  machine:  -­‐ The  page  is  read  a  series  of  very  fine  lines.    -­‐ Laser  light  is  shone  onto  the  page  in  very  thin  lines  and  light  reflected  

from  each  point  is  detected.    -­‐ The  reflection  or  absorption  of  light  at  each  point  is  recorded  as  a  

digital  electrical  signal  by  the  fax  machine.    

• This  image  is  transmitted  by:  -­‐ The  reflected  light  is  converted  to  electrical  signals.  

-­‐ The  input  digital  signal  is  transmitted  through  the  landline  telephone  -­‐ It  is  received  by  the  targeted  fax  machine  as  a  digital  electrical  signal    -­‐ Using  a  printer,  this  receiving  machine  converts  the  digital  signal  back  

to  an  image  on  a  page  

5.4.  Explain  how  the  coding  of  the  image  into  a  series  of  zeros  and  ones  allows  its  transmission  and  ultimate  decoding    

• Binary  code  is  a  number  system  that  uses  only  zeros  and  ones  to  represent  any  number  

• For  example  the  number  10  is:  1010  

Communication  Technology   Type  of  energy  transformed  into  electricity  

Microphone,  telephone,  radio,  TV,  music  

Sound  

Faxes,  bar  codes,  CD’s,  DVD’s,  TV  camera  

Light  

Electric  keyboard   Kinetic  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  52  

 Because:            16  –  8  –  4  –  2  –  1                  8  +  2  =  10  and  the  number  one  in  each  code  represents  a  number  that  ha  been  used,  any  that  haven’t  been  used  are  kept  as  zeros  

 • Electronic  digital  devices  work  by  digitizing  an  image,  i.e.  dividing  it  into  a  

grid  of  dots.  -­‐ Each  dot  is  either  on  or  off,  depending  on  whether  it  is  black  or  white.    -­‐ Electronically,  each  dot  is  represented  by  a  bit  that  has  a  value  of  

either  0  (off),  or  1  (on).    -­‐ In  this  way,  the  device  translates  a  picture  into  a  series  of  zeros  and  

ones  (called  a  bit  map)  that  can  be  transmitted  like  normal  computer  data.    

-­‐ On  the  receiving  side,  a  device  reads  the  incoming  data,  translates  the  zeros  and  ones  back  into  dots,  and  reprints  the  image.  

                                     

           

Thin

kswap

Doc

umen

t

  53  

         

6.  Electrical  energy  can  be  converted  to  light  energy  for  use  in  optical  fiber  

communication  systems  6.1.Perform  a  first-­‐hand  investigation  to  demonstrate  the  transmission  of  light  through  an  optic  fiber    

• We  had  a  light  with  optical  fibers  connected  to  it,  when  the  lights  shone  through  we  were  able  to  see  the  pinpoint  of  light.  

• This  showed  how  small  they  are,  as  well  as  how  light  can  be  transmitted  through  a  piece  of  fiber  

6.2.Outline  properties  of  optical  fibers  as  communication  carriers    

• An  optical  fiber  is  a  thin  strand  of  material,  that  allows  light  to  be  passed  through  it.  

• An  optical  fiber  cable  is  may  optical  fibers,  each  with  its  own  cladding,  embedded  in  insulating  material  and  coated  with  plastic  to  form  a  single  cable  

• The  glass  in  optical  fibers  is  made  so  that  light  is  unable  to  emerge  side  ways  from  the  glass.    

• This  is  achieved  by  covering  the  glass  with  a  cladding  of  denser  glass  or  plastic.  

•  As  light  travels  from  the  inner  glass  core  to  the  denser  cladding,  it  bends  so  much  that,  instead  of  leaving  the  glass,  it  is  reflected  back  into  it  -­‐  this  process  is  known  as  total  internal  reflection.  

• Properties  of  optical  fibers  that  make  it  relevant  as  communication  carriers:  -­‐ Transparent  to  light  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  54  

-­‐ Cheap  -­‐ Tough  -­‐ Flexible  -­‐ Easy  to  install  even  a  over  long  distances  -­‐ Durable  -­‐ Non-­‐corrosive  

• However  if  a  fiber  is  damaged  it  is  very  difficult  to  fix    

6.3.Outline  the  principle  of  total  internal  reflection  and  relate  this  to  the  advantages  of  fiber  optics  over  more  conventional  carriers  of  information    

• Total  internal  reflection  occurs  when:  -­‐ Light  travelling  from  a  more  dense  to  a  less-­‐dense  medium  hits  the  

boundary  between  them.    -­‐ Some  degree  of  reflection  back  into  the  denser  medium  (internal  

reflection)  always  accompanies  refraction.    -­‐ When  the  angle  of  incidence  is  greater  than  the  critical  angle,  total  

internal  reflection  occurs,  i.e.  all  the  light  is  internally  reflected.  • Optical  fibers,  using  laser-­‐generated  light,  can  transmit  many  more  

messages  at  one  time  than  coaxial  cable  or  microwaves.    • The  pulses  of  light  are  produced  millions  of  times  per  second  and  pass  

along  the  optical  fiber  being  reflected  from  the  walls  several  thousand  times  per  meter.  

• Glass  and  plastic  fibers  as  thin  as  a  few  micrometers  in  diameter  can  be  used  to  transmit  light  with  very  little  loss  of  intensity.    

• Even  if  the  fibers  are  bent  the  critical  angle  is  rarely  exceeded  and  the  signal  will  be  transmitted.  

6.4.  Outline  the  differences  and  the  relative  merits  in  the  use  of  fiber  optic  cables  and  metal  cables  to  transmit  and  receive  information    

• The  advantages  of  optical  fibers  over  metal  and  coaxial  cables  are:  -­‐ Have  a  much  greater  bandwidth  than  metal  cables.  This  means  that  

they  can  carry  more  data  per  second,  e.g.  can  transmit  several  gigabytes  of  data  per  second.  

-­‐ Are  not  affected  by  radio  waves,  so  there  is  no  static  -­‐ Are  much  thinner  and  lighter  than  metal  wires  -­‐ Are  less  susceptible  to  corrosion  than  metal  cables  -­‐ Can  handle  digitally  coded  light  (the  natural  form  for  computer  data),  

as  well  as  analog  signals  -­‐ Can  multiplex  thousands  of  voice  channels  together  over  a  single  

optical  fiber  -­‐ More  secure,  as  information  cannot  be  intercepted  easily.  

• The  disadvantages  of  optical  fibers  are:  -­‐ The  main  disadvantage  of  fiber  optics  is  that  the  cables  are  expensive  

to  install.  -­‐  They  are  more  fragile  than  wire  and  must  be  spliced  together  

precisely  and  carefully.  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  55  

-­‐ Repeaters  need  to  be  added  every  55-­‐65  kilometers  to  boost  the  signal  strength.  

• Telephone  companies  are  steadily  replacing  traditional  metallic  telephone  lines  with  fiber  optic  cables.  

   6.5.  Process  and  analyze  information  from  secondary  sources  to  compare  and  contrast  copper  cables  with  fiber  optic  cables  in  relation  to:      -­‐  Carrying  capacity  -­‐  Cost    -­‐  Rate  of  information  transfer    -­‐  Security      Property   Copper  cables   Fibre-­‐optic  cables  Carry  capacity   • Carry  less  info   • Carry  enormous  

amounts  of  info    several  GB’s  per  second  

• Lots  of  messages  can  travel  at  once  (multiplexing)  

Cost   • Similar  costs  at  present  to  manufacture  cables  

• Cost  of  copper  expected  to  rise  as  it  becomes  rarer  

 

• Price  of  fibres  should  fall  

• Fewer  repeaters  needed  (so  less  costs)  

• Overall  cost  is  less  (and  decreasing)  

Rate  of  info  transfer   • Electrons  travel  more  slowly  along  copper  cable  

• Faster    it  uses  visible  or  infra  red  light  which  travels  at  a  speed  of  300000000  m  s-­‐1  

Security   • Relatively  easy  to  tap  info  

• More  secure    almost  impossible  tap  into  info  as  cables  cannot  be  split  and  rejoined  

• Info  is  transmitted  more  precisely  –  there  is  less  distortion  and  loss  of  info  

     

Thin

kswap

Doc

umen

t

  56  

                                                         

Thin

kswap

Doc

umen

t

  57  

 

 

 Chapter  3    Disasters    

                                             

Thin

kswap

Doc

umen

t

  58  

1.  Disasters  may  be  natural  or  caused  by  human  activity  

1.1.  Identify  disasters  as  events  associated  with  large-­‐scale  environmental  or  structural  damage  and/or  loss  of  life    

• Disaster  =  an  unfortunate  event  that  involves  large  –  scale  environmental  or  structural  damage.  It  may  not  involve  loss  of  life  

1.a.  Gather  and  process  information  from  first-­‐hand  and  secondary  sources  to  identify  insurance  compensation  for  natural  disasters  to  discuss  the  definitions  and  terminology  used  in  insurance  contracts  

Insurance  Term   Meaning  Home   Fully  enclosed,  used  for  domestic  

purposes,  can  be  locked  up  Fixtures     Permanently  attached  or  fixed  to  the  

home  Contents   Not  permanently  attached  to  home.  Fittings   Any  item  that  can  be  removed  without  

damaging  the  home  Specified  items   Contents  that  are  listed  separately  i.e.  

jewellery    Collectables   Have  to  be  insured  separately  i.e.  CD’s    Replacement  valve   The  cost  to  rebuild  on  the  site  at  todays  

prices  Sum  insured   Amount  of  insurance  cover  purchased  

for  the  home  

1.2.  Identify  a  range  of  natural  disasters,  with  the  aid  of  specific  Australian  examples  Type  of  natural  disaster   Aus  example   Info  Bushfire   Ash  Wednesday  fires  in  

Vic  and  SA  1983.  • The  highest  

recorded  bushfire  death  toll  ever  in  Australia  (period).  

• Killed  72  people,  and  destroyed  more  than  2000  homes    

Drought     Droughts  in  parts  of  south-­‐eastern  Australia  2003  to  2007  and  still  ongoing  in  many  areas.  

• Farmers  were  worried  because  lack  of  rain  can  quickly  lead  to  destruction  of  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  59  

crops,  food  and  water  running  out  and  stock  dying.  

Cyclone   Cyclone  Tracy  in  Darwin  1974  

• Hundreds  of  millions  dollars  of  damage  to  buildings  

• 49  people  killed    Hailstorm   Sydney  hailstorm,  1999   • Most  costly  Aus  

disaster  but  no  lives  lost  

• 1.5  billion  dollars  of  damage    

Earthquakes     Newcastle  earthquake,  1989  

• 5.5  on  the  Richter  scale  

• 14  people  killed  

1.3.  Identify  a  range  of  disasters  associated  with  human  activity  using  specific  Australian  examples  Type  of  disaster  associated  with  human  activity  

Aus  example   Info  

Landslide   Thredbo,  1997   • The  road,  above  the  lodge  that  slid  down,  appears  not  to  have  been  maintained  properly.  

• 18  people  died  Transport  accidents   Glenbrook  train  crash,  

1999  • Inadequate  

training  of  personnel,  unclear  procedures,  with  greater  priority  being  given  to  'on-­‐time  running'  than  safety.  

Salinity   Salinity  in  the  Murray  Valley  

• Caused  by  over  watering  by  irrigators,  resulting  the  raising  of  the  water  table  that  contains  saline  water.  

Bridge  collapse   Derwent  River  in   • A  ship  hit  a  pylon  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  60  

Tasmania  in  1975   of  the  bridge,  causing  one  span  to  collapse.    

• Twelve  people  died  

 

1.4.  Identify  specific  Australian  examples  where  nature  and  human  activity  have  combined  to  produce  disasters  such  as  dust  storms,  shipwrecks,  landslides  and  accidents  

• An  activity  may  have  been  well  planned  or  carried  out  but  a  change  in  conditions  could  cause  a  disaster.  

• Examples  of  this  are:    Dust  storm  in  Melbourne  in  1983  

-­‐ Resulted  from  a  change  in  conditions.    -­‐ The  farmland  around  Melbourne  had  been  farmed  and  managed  well.    -­‐ After  a  dry  period,  a  freak  storm  built  up  which  carried  millions  of  tones  

of  topsoil  off  the  farms  into  the  centre  of  Melbourne.    -­‐ It  caused  damage  in  the  city.  

 Floods  in  Illawara  in  1998  

-­‐ In  cities,  flooding  can  occur  if  the  drainage  systems  built  by  people  cannot  cope  with  the  storm  water.    

 • Disasters  associated  with  human  activity  can  be  caused  by:  -­‐ Equipment  breaking  down  -­‐ Poor  maintenance  leading  to  equipment  failure  -­‐ People  not  following  instructions  or  regulations  properly  -­‐ Communication  systems  failing.  

1.b.  Gather,  process  and  analyse  information  from  secondary  sources  to  create  a  database  of  natural  disasters  that  have  occurred  within  Australia  since  1970  to  include: when  it  occurred,  where  it  occurred,  consequences  of  the  disaster,  techniques  employed  to  reduce  the  ���incidence  of  damage  next  time, techniques  employed  to  monitor  ���disaster  in  the  future.  When  it  occurred:  Cyclone  Larry    march  2006  Where  it  occurred:  QLD  around  the  Innisfail  area  Consequences  of  disaster:  Thousands  of  home  and  businesses  destroyed  and  banana  crops  wiped  out  Techniques  employed  to  reduce  the    incidence  of  damage  next  time:  improving  warning  systems  and  building  structure  that  will  withstand  cyclones  Techniques  employed  to  monitor    disaster  in  the  future:  Satellite  observations  of  emerging  weather  patterns  and  analysis  of  data  obtained  and  analysis  of  evacuation  plans  to  improve  them  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  61  

2.  Technological  developments  have  improved  our  ability  to  monitor  and  

predict  weather  patterns  2.1.  Define  the  term  ‘atmospheric  pressure’  and  describe  the  movement  of  air  currents  between  areas  of  high  and  low  pressure  

• Atmospheric  pressure  is  the  force  per  unit  area  due  to  the  weight  of  the  atmosphere  (a  layer  of  gases).    

• These  gases  are  kept  in  place  by  the  force  of  gravity.    • The  pressure  of  the  atmosphere  is  measured  in  hectopascals.  (1  

hectopascal  =  100  Pascals    1  Pascal  is  a  unit  of  pressure  equal  to  one  Newton  per  square  meter)  

• Air  moves  from  a  place  with  high  air  pressure  to  a  place  with  low  air  pressure  -­‐  This  movement  of  air  is  what  we  notice  as  a  breeze  or  wind.  

• On  a  weather  map  the  air  pressure  in  different  places  is  shown  by  lines,  called  isobars,  drawn  through  points  with  the  same  air  pressure.  

• High  pressure  system  =  air  movies  anticlockwise,  hectopascals  increase  towards  the  centre  

• Low  pressure  system  =  air  move  clockwise,  hectopascals  decrease  towards  the  centre  

2.2.  Identify  that  the  distance  between  isobars  on  a  weather  map  indicates  the  relative  change  of  atmospheric  pressure  in  an  area    

• Isobars  close  together    places  that  are  not  far  apart  experience  a  large  difference  in  air  pressure.  As  a  result,  the  winds  in  this  region  will  be  strong.  

• Isobars  far  apart    the  difference  in  air  pressure  between  two  places  is  not  very  large.  As  a  result,  the  winds  will  be  quite  gentle.  

 

           

Thin

kswap

Doc

umen

t

  62  

 

2.b.  Gather  secondary  information  and  use  the  available  evidence  to  compare  changes  in  the  relative  air  pressure  in  an  area  over  time  and  relate  changes  to  changing  weather  patterns    

• Map  indicates  for  Sydney:  -­‐ Light  winds:  isobars  are  far  apart  -­‐ SE/NE  winds:  the  high-­‐pressure  system  off  the  coast  insinuates  

anticlockwise  winds  around  the  centre  of  the  system.  With  winds  coming  from  the  southwest  and  then  north  east  directions  

-­‐ Some  showers:    diagonal  lines  represent  patches  of  rainfall.  And  the  south  west  winds  will  bring  moisture  laden  air  from  the  ocean  which  may  cause  some  showers  

2.3.  Describe  the  relative  pressures  involved  in  the  formation  of  tropical  cyclones  and  tornadoes

 

2.c.  Perform  an  investigation  using  second-­‐hand  data  and  use  the  available  evidence  to  trace  the  movement  of  a  tropical  cyclone    

• Tropical  cyclone  Larry  occurred  in  northern  QLD  in  2006  -­‐ Originated:  The  coral  sea  off  the  coast  of  QLD  -­‐ Date  classified  as  a  cyclone:  4am  March  18th  -­‐ Where  it  crossed  the  Aus  coast:  Innisfail,  QLD  -­‐ Path  of  the  tropical  cyclone:    

  Cyclones     Tornadoes  

Cause   Warm,  moist  air  is  rising  and  more  air  id  being  drawn  in  to  replace  it.  This  causes  the  air  pressure  at  the  surface  to  drop  

Fast  moving,  cold,  dry  air  moves  across  warm  air.  The  warm  air  tries  to  move  upwards  quickly,  causing  a  tall,  twisting  column  of  air  

Pressure  at  the  centre   Low     Low    

Where  they  from   Over  oceans  near  equator  

Over  a  small  area  of  land  

Winds     Strong  winds  blow  in  a  spiral  pattern  

Strong  winds  blow  in  a  spiral  pattern  

Associated  weather   Heavy  rain,  floods,  huge  seas  and  storm  surges  

Usually  rain,  hail  and  violent  winds  

Time  it  lasts   Days  to  several  weeks     10  –  15  minutes  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  63  

 2.4.  Describe  technological  advances  that  have  contributed  to  increased  understanding  of  meteorology    

• Meteorology  is  the  study  of  the  weather  and  climate.    • To  predict  the  weather,  meteorologists  need  to  measure  quantities  like:  -­‐ Air  pressure  -­‐ Humidity  -­‐ Temperature  -­‐ Wind  speed  and  direction.    • These  measurements  have  to  be  carried  out  not  just  in  one  place,  but  over  

the  whole  country.  • The  basic  tools  for  measuring  these  characteristics  include:  -­‐ Thermometer  for  temperature  -­‐ Barometer  for  air  pressure  -­‐ Anemometer  for  wind  speed  -­‐ Hygrometer  (or  wet  and  dry  bulb  thermometer)  for  humidity.  • The  methods  for  measuring  characteristics  of  the  weather  (and  their  

accuracy)  have  improved  thanks  to  electronics  and  computers:  -­‐ Data  logging  equipment  allows  unstaffed  stations  to  carry  out  

measurements  at  regular  intervals  24  hours  per  day.  This  data  can  then  be  retrieved  when  needed.  As  a  result,  'weather  stations'  may  be  placed  in  the  most  inhospitable  places  and  left  to  record  information  without  a  person  to  run  it.  

• Satellites  orbit  the  Earth  and  make  measurements  of  the  atmosphere.  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  64  

This  includes  simply  taking  photographs  to  show  cloud  movement  as  well  as  remote  sensing  technology  to  measure  other  characteristics  of  the  atmosphere.  

2.5.  Describe  the  relationship  between  the  monitoring  of  weather  patterns  by  radar  and  laser  light  and  the  analysis  of  reflected  wave  patterns  by  computers    

• Radar  uses  radio  waves    it  excels  at  piercing  bad  weather,  but  it  needs  raindrops,  hail  or  snow  to  get  a  signal.    

• Lidar  uses  laser  light    it  struggles  to  go  through  thick  clouds  or  heavy  rain,  but  it  can  get  you  wind  (measurements)  in  clear  air,  because  it  relies  on  aerosols.  

• From  the  collection  of  this  data,  wind  speed  and  direction  can  be  determined  over  large  areas.  

• Lidar’s  higher  frequency  radiation  will  be  reflected  by  smaller  particles  than  lower  frequency  radiation  of  radar,  allowing  it  to  determine  wind  characteristics  in  clear  conditions.  

2.6.  Explain  why  satellite  photographs  of  cloud  patterns  have  improved  the  reliability  of  interpretations  of  weather  regularities  and  knowledge  of  global  weather  patterns  

• Full-­‐earth  images  of  satellites  help  Australian  weather  forecasters  trace  the  life  cycle  of  weather  systems,  particularly  those  approaching  from  surrounding  oceans.    

• Satellites  provide  Australian  forecasters  with  better  data  about  air  pressure,  cloud  patterns  and  solar  radiation  estimates.  

• With  this  info  scientists  are  able  to  predict  more  accurately  their  behaviour  in  the  future  

                                     

Thin

kswap

Doc

umen

t

  65  

   

3.  Even  with  current  technology,  disasters  such  as  earthquakes  and  bushfires  are  not  easy  to  predict  

3.1.  Outline  differences  in  P,  S  and  L  energy  waves  produced  by  an  earthquake  

• An  earthquake  is  a  movement  in  the  Earth's  crust.    -­‐ The  crust  is  made  up  of  a  number  of  plates,  which  float  on  the  material  

beneath.    -­‐ While  the  continents  feel  like  'solid  ground'  they  are  in  fact  rafts  that  are  

afloat.    -­‐ As  the  plates  move  into  different  positions,  they  cause  tremors  or  

earthquakes.  • An  earthquake  produces  a  number  of  waves  in  the  earth's  crust.  There  are  

three  types,  P,  S  and  L  waves:  -­‐ P  (Primary)  waves:  are  compression  waves    they  travel  fastest  and  

can  travel  through  both  liquids  and  solids.  -­‐ S  (Secondary)  waves  are  transverse  waves    they  travel  slower  than  

the  P  waves  and  cat  go  through  liquid.    -­‐ L  waves  are  the  slowest  waves    they  are  surface  waves,  which  travel  

along  the  surface  of  the  crust  as  a  ripple.  They  cause  most  of  the  damage.         P  waves   S  waves     L  waves  Where  they  travel   Through  the  body  

of  the  earth  Through  the  body  of  the  earth  

Along  the  surface  of  the  earth  

Relative  speed   Fast-­‐  8  km/h   4.5  km/h   3.2  km/h  Type  of  wave   Compression   Transverse   Transverse    

• Compression:    • Transverse: ↓↑  

3.2.  Identify  energy  transfers  and  transformations  involved  in  L  waves  as  they  travel  along  the  earth’s  crust    

• Potential  energy  in  rocks    kinetic  energy  in  rock  vibrations    • Kinetic  energy  of  rocks    kinetic  energy  of  buildings  swaying  and  

vibrating  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  66  

3.a.  Gather  and  process  information  from  secondary  sources  on  the  use  of: seismographs,  Richter  scale  and  Mercalli  scale  to  record  and  monitor  earthquakes    

• Seismograph  =  produces  a  picture  called  a  seismogram  which  represents  the  movement  of  the  Earth's  crust  at  the  observation  station.  

-­‐ Richter  scale  =  rates  earthquakes  on  the  magnitude  of  the  energy  released    Determined  by  the  amplitude  of  the  waves  from  the  seismogram  

• Mercalli  Scale  =  subjective  measure  of  the  intensity  of  an  earthquake  based  on  the  effects  as  observed  by  onlookers  

3.3.  Explain  how  the  difference  in  time  of  arrival  of  P  and  S  waves  can  be  used  to  locate  an  earthquake  epicentre    

• The  P-­‐S  time  is  the  amount  of  time  that  passed  between  the  arrival  of  the  P-­‐waves  and  the  arrival  of  the  S-­‐waves.  

• The  speed  of  the  two  waves  is  well  known  and  so  the  P-­‐S  time  can  be  used  to  calculate  how  far  the  centre  of  the  earthquake  was  from  the  observatory  

• Time  =  Distance/  Speed    

3.4.  Describe  the  difficulties  of  monitoring  and  predicting  earthquakes  

• They  happen  deep  underground,  usually  impossible  to  reach  with  measuring  equipment.  

• We  cannot  get  measuring  equipment  into  the  right  place  so  predicting  exactly  where  and  when  they  will  occur  is  almost  impossible  

• Furthermore,  the  earthquake  may  be  so  severe  that  it  will  actually  destroy  the  equipment  set  up  to  measure  it.  

3.5.  Identify  some  of  the  conditions  that  can  combine  to  trigger  a  bushfire,  including  dry  weather,  high  temperatures  and  flammable  vegetation  

• Conditions  that  trigger  a  bushfire:  1) Dry  weather  2) High  temperatures  3) Flammable  vegetation  

• Conditions  in  our  country  can  produce  situations  where  all  three  requirements  for  fire  are  abundant:  

-­‐ Periods  of  hot  dry  weather  can  leave  plants  dead  and  dry    -­‐ Materials  left  in  and  around  homes  provide  a  fuel  source.    -­‐ Hot  weather  is  often  associated  with  strong  winds.  This  wind  provides  a  

great  oxygen  supply  for  the  fire  and  can  carry  sparks,  starting  new  fires  in  other  places.  

-­‐ Many  of  our  native  trees  and  shrubs  contain  chemicals  in  their  sap  which  are  very  flammable.  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  67  

-­‐ Some  areas  of  our  country  are  hilly  or  mountainous.  A  fire  started  at  the  bottom  of  a  hill  will  quickly  race  uphill  since  hot  air  rises.  

 

3.c.  Gather,  process  and  analyse  information  to  identify  types  of  native  vegetation  that  promote  the  spread  of  bushfires  

• Eucalypts:  constantly  shed  bark  and  leaves  which  are  slow  to  decompose,  causing  an  accumulation  of  fuel.  Also  the  leaves  have  oils  in  them  which  are  highly  flammable  

• Acacias  (wattles):  tend  to  explode  in  a  hot  fire  

3.d.  Gather,  process  and  analyse  information  on  the  use  of  natural  resources  to  retard  the  progress  of  fire  including:  water  and  natural  plants  

• Plants  that  show  resistance:  kurrajong,  white  cedar  and  South  African  butterfly  iris    

• Water  can  be  used  to  retard  fires:    -­‐ Large  planes  can  drop  large  volumes  of  water  onto  a  fire  -­‐ Homes  can  be  protected  by  filling  gutters  and  drainpipes  with  water  -­‐ Water  cools  the  combustible  material  below  its  ignition  point  so  the  

oxygen  needed  for  combustion  is  not  available    

3.6.  Describe  the  effect  of  the  slope  of  the  land  and  intensity  of  the  wind  on  the  speed  of  the  bushfire    

• The  wind:  -­‐ Supplies  oxygen  for  the  fire  -­‐ Blows  the  fire  across  the  landscape.    • The  landscape  can  be  flat  or  hilly.  A  hilly  landscape  is  more  

dangerous:  -­‐ It  makes  access  for  fire  fighters  more  difficult  -­‐ Hot  air  rises  so  that  the  heat  from  a  fire  at  the  foot  of  a  gorge  will  rise  and  

dry  out  vegetation  higher  up  possibly  igniting  it.  -­‐ Fires,  which  have  reached  the  top  of  a  ridge,  can  'jump'  from  one  ridge  to  

the  next,  sometimes  hundreds  of  metres  away,  as  sparks  are  carried  across  by  wind  

3.e.  Gather,  process  and  analyse  secondary  information  to  identify  precautions  that  can  be  taken  to  minimise  the  likelihood  of  damage  by  bushfire  including  the  removal  of  flammable  material  and  shrubs    

• Precautions  that  can  be  taken:  -­‐ Fire  resistant  building  materials  -­‐ Have  a  source  of  water  available  -­‐ Clearing  gutters  of  shrubs  -­‐ Back  burning  when  weather  conditions  are  favorable  -­‐ Clearing  land  to  produce  firebreaks  -­‐ Early  detection:  lookout  towers,  infra  red  photog,  satellite  remote  sensing    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  68  

3.f.  Perform  an  investigation  to  compare  the  flammability  of  dry  and  fresh  leaves    

• Dry  vegetation  is  more  flammable  than  fresh  vegetation  as  it  ignites  quicker  

3.7.  Identify  and  describe  some  of  the  energy  transfers  and  transformations  associated  with  bushfires    

• Plant  matter  burns:  chemical  energy    heat  and  light  energy  • Hot  air  moves  upwards:  chemical  energy  of  plants    kinetic  energy  of  air  

3.8.  Discuss  the  reduction  of  fuel  by  controlled  burns  and  backburns  in  reducing  the  risk  of  bushfires    

• There  are  two  ways  in  which  fire  fighters  fight  fire  with  fire:    1)  A  controlled  burn  

• Should  only  be  done  on  days  of  little  or  no  wind  • is  lit  in  an  area  where  natural  growth  has  produced  plant  material  which  

may  become  a  fire  risk  in  hot  weather  when  it  has  dried  out.  • The  job  of  the  fire  is  to  burn  up  all  the  plant  material  which  may  pose  a  

risk  in  summer  so  that  there  will  be  less  fuel  around  when  summer  comes.  

 2)  A  back  burn  

• Is  intended  to  help  put  out  a  bushfire  • Is  lit  to  make  the  bushfire  run  out  of  fuel  faster.  • Is  lit  in  front  of  the  bushfire  as  the  bushfire  burns.  • A  back  burn  is  successful  if  it  is  lit  close  enough  to  the  main  fire  so  that,  as  

the  main  fire  approaches,  the  wind  it  generates  draws  the  flames  and  heat  of  the  backfire  into  itself  

• This  will  then  mean  that,  as  the  main  fire  and  back  burn  join  together,  the  fires  run  out  of  fuel  and  can  be  brought  under  control.  

3.g.  Gather  and  process  information  to  explain  what  steps  should  be  taken  if  caught  in  a  bushfire    If  you  are  driving  a  car  

• Stay  in  your  car  • Pull  over  to  the  side  of  the  road  • Stop  the  car  and  turn  off  the  engine  • Wind  up  all  the  windows  and  close  all  the  vents  • Keep  down  lo  • Use  blankets  or  towels  to  cover  up  exposed  skin  • Sound  the  horn  at  intervals  

 If  you  are  in  the  bush  

• Seek  shelter:  creek  bed,  behind  a  rock  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  69  

• If  you  have  time  remove  as  much  fuel  from  around  you  • Stay  low  to  the  ground  =  hot  air  rises  • Cover  all  exposed  skin  • Don’t  try  to  outrun  it  =  the  fire  is  faster  • Don’t  go  uphill  =  fires  travel  faster  uphill  

 If  you  are  at  home  

• Stay  in  the  house  =  protect  yourself  from  the  high  radiant  heat  levels  and  flames  

• Close  windows  and  vents  =  prevent  embers  entering  the  house  • Close  heavy  curtains  and  shutters  =  restrict  the  entry  of  heat  • Turn  off  all  electricity  and  gas  =  prevent  explosions  • Move  furniture  to  the  centre  of  the  room  =  reduce  the  risk  of  it  catching  a  

light  • Wet  the  roof,  walls,  garden  and  lawns  =  reduce  the  risk  of  spot  fires                                                                      

Thin

kswap

Doc

umen

t

  70  

   

4.  Warning  devices  can  also  be  used  to  detect  disasters  associated  with  

human  activity  4.1.  Describe  the  energy  transformations  involved  in  the  operation  of  a  range  of  commonplace  warning  and  protection  devices,  including: smoke  detectors,  fire  alarms  and  sprinkler  systems  Smoke  detectors    

• Atomic  energy    kinetic  energy  of  alpha  particles    kinetic  energy  of  electrons    electrical  energy    sound  energy  

 Fire  Alarms  

• The  sprinkler  system  detector  senses  the  change  in  heat  or  light  energy    electrical  energy    kinetic  energy  of  bell  sound  energy  

 Sprinkler  systems  

• Heat  or  light  energy  of  fire    electrical  energy    kinetic  energy  of  running  water  

4.a.  Analyse  information  and  use  available  evidence  to  identify  appropriate  locations  for  smoke  and  fire  detectors  in  a  workplace  

• Located  on  the  ceiling  away  from  any  kitchens  or  bathrooms  and  near  areas  of  high  fire  risk.  E.g.  near  fuels    

4.c.  Plan,  choose  equipment  or  resources  for,  and  perform  a  first-­‐hand  investigation  to  construct  a  working  alarm  or  safety  device    

• A  fire  alarm  has  a  bimetallic  strip  inside  of  it.  • A  bimetallic  strip  is  two  flat  pieces  of  metal  glued  together.  When  the  strip  

is  heated,  each  metal  expands  at  a  different  rate  causing  the  metal  to  bend  so  it  makes  contact  and  completes  the  circuit    ringing  the  bell.  

• As  it  cools  down  the  bimetallic  strip  will  straiten  back  out,  stopping  the  bell    

• Gold  rod  =  bimetallic  strip.  Red  circle  =  bell.  Blue  box  =  will  hit  the  bell  when  the  circuit  is  closed  

 

Thin

kswap

Doc

umen

t

  71  

                                         

 

4.d.  Gather  information  from  secondary  sources  to  identify  evacuation  drill  procedures  and  assess  their  appropriateness  in  an  emergency  situation    Evacuation  drill  procedure   Essential  Features  An  alarm  such  as  continuously  ringing  bell  

• This  must  be  clearly  audible  and  recognised  

Escape  routes   • Must  be  simple,  easy  to  follow  and  remember,  clearly  marked  and  there  must  be  alternatives  available  in  case  of  blockages  

Meeting  place   • Must  be  safe,  central,  known  to  all  people,  able  to  be  safely  reached  by  everyone,  be  away  from  high  risk  areas  and  be  accessible    

• Must  be  a  list  of  all  people  and  a  designated  role  caller  

Practice  drills   • Should  be  held  at  regular  intervals  with  everyone  participating  

First  aid   • Designated  first  aid  people  must    ensure  that  there  is  equipment  available  at  the  meeting  place  

   

Thin

kswap

Doc

umen

t

  72  

5.  Emergency  services  also  assist  in  the  prevention  or  minimization  of  

disasters  5.1.  Identify  the  role  of  and  account  for  the  need  for  coordinated  help  services  in  times  of  potential  disaster  including:  police,  fire  brigade,  ambulance,  State  Emergency  Service,  Rural  Fire  Service  and  community  organisations    

• The  coordination  of  essential  services  in  times  of  potential  disaster  is  important  because:  

-­‐ It  ensures  that  the  maximum  use  can  be  made  of  each  service  and  they  don’t  overlap  

-­‐ Helps  ensure  a  rapid  and  effective  response  to  as  many  people  as  possible    

Service   Roles  Police   • Providing  specialist  rescue  

services  • Crowd  and  traffic  control  

Fire  Brigade   • Putting  out  fires  • Preventing  fires  • Land  based  rescue  services  

Ambulance   • Directs  medical  operations  • Treating  injured  people  • Transporting  the  injured  to  

hospital  State  emergency  service  (SES)   • Organising  flood  and  storm  

relief  • Search  and  rescue  options  • Temporary  repairs  to  homes  to  

prevent  further  damage  Rural  Fire  Service   • Putting  out  and  preventing  fires  

in  rural  areas  • Land  based  rescue  services  • Communication  • Catering  and  welfare  

Community  Organisations   • Salvos:  Food  supplies  and  temporary  shelter  

• Vinnie’s:  Provides  clothes  and  blankets  

• Red  Cross:  personal/welfare  info  as  well  as  medical  supplies  

Thin

kswap

Doc

umen

t

  73  

5.a.  Gather  and  process  information  from  first-­‐hand  and  secondary  sources  to  identify:  the  phone  numbers  for  the  relevant  services  in  the  local  region,  the  disasters  that  each  service  deals  with,  the  sequence  of  coordinated  help  involving  these  services                                                                                                      Fire  Brigade  

• Phone  call  (000)    closest  brigade  to  the  incident  is  notified    fire  engine(s)  sent  to  the  site.  

• Land  based  rescue  services  and  preventing  and  putting  out  fires    

5.2.  Assess  impacts  of  technological  developments  on  the  warning  that  can  be  provided  about  impending  disasters    

• Some  technological  developments  help  provide  warning  of  impending  disasters  while  others  help  with  activities  during  and  after  the  disaster.  

• Warning  systems  include:  -­‐ Better  monitoring  systems  to  help  predict  weather  -­‐ Earthquake  dangers  -­‐ Flood  and  bushfire  danger  -­‐ Improved  communications  networks  using  satellite  systems,  radio  and  

telephone  to  detect  and  warn  people  of  changing  conditions.  • Support  systems  during  and  after  disasters  include:  -­‐ Improved  infrastructure  such  as  roads  to  help  transport  -­‐ Improved  paramedic  facilities  such  as  ambulance  and  search  and  rescue  

services.  • Technology  has  greatly  improved  the  way  in  which  society  copes  with  

disasters  by  providing  early  warning  signs.  -­‐ Technology  has  allowed  warnings  through  early  recognition  of  potential  

hazards  in  weather  conditions,  flooding,  and  even  volcanic  activity  -­‐ These  early  warnings  rely  on  availability  of  broadcasting  techniques  such  

as  radio  and  television.                                    

Thin

kswap

Doc

umen

t

  74  

                     

Thin

kswap

Doc

umen

t