Урок «Тепловые двигатели»

Автор: Маневская Ирина Владимировна

Организация: ГБУ ОО ЗО «БГЛ»

Населенный пункт: Запорожская область, г. Бердянск

Аннотация.

Урок физики для 8 класса посвящён изучению тепловых двигателей и их влияния на окружающую среду. Сочетая объяснение материала, исследовательские задания, работу с цифровыми ресурсами и обсуждение экологических проблем, обучающиеся закрепляют знания о принципе действия двигателей и развивают ответственное отношение к использованию энергетических ресурсов.

 

Тема. Тепловые двигатели

Цель:

дидактическая: сформировать физическую сущность принципа действия тепловой машины и назначение ее составляющих; выяснить зависимость КПД тепловых машин; определить место тепловых двигателей в нашей жизни и осветить экологические проблемы при их использовании.

развивающая: развивать познавательную активность обучающихся посредством проблемных вопросов, исторического материала; развивать интерес к изучению физики; развивать логическое мышление.

воспитательная: воспитывать умение делать обобщение, активность, самостоятельность, культуру речи, умение выслушивать другого.

Оборудование: учебник: Пёрышкин И. М. Физика 8 класс(2022г.), раздаточный материал, презентация и видеофильмы, компьютер, проектор, пробирка с пробкой, штатив, подставка с сухим топливом, вода.

Тип урока: комбинированный.

Методы: эвристическая беседа, рассказ, презентация, взаимопроверка, демонстрация фильма, мозговой штурм.

Ход урока

Физика делает человека не только умнее, но и сильнее.

А. Эйнштейн

I. Организационный момент урока (1 мин.)

Приветствие. Проверка подготовки к уроку.

II. Актуализация опорных знаний (5мин.)

Блиц опрос

1. Что называют внутренней энергией?

2. Назовите способы её изменения.

3. Что называют количеством теплоты.

4. Какой буквой обозначается? Назовите единицу измерения...

5. Помогите найти соответствие...

Процесс	Формула
Нагрев (охлаждение)
Плавление(отвердевание)
Парообразование (конденсация)
Горение

https://wordwall.net/ru/resource/122552580?wwmethod=link

ІІІ. Мотивация обучения. (5 мин.)

Развитие современной техники зависит от умения как можно полнее использовать колоссальные запасы внутренней энергии, содержащейся в топливе. Эту энергию можно превратить в механическую работу, следовательно, выполнять за ее счет полезную работу. (Обратить внимание на формулы.)

Обратимся к опыту: движение пробки в пробирке под действием водяного пара, образованного кипящей водой.

Вопросы классу (Обсудим!?)

1. Почему так происходит? (Пар, расширяясь, толкает пробку)

2. Какое преобразование энергии происходит при этом? (Внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию.)

3. А что произошло бы, если бы какой-нибудь чудак наглухо закрыл пробку? (Разорвало бы пробирку!) Пар-силач разорвал бы ее на куски! Поэтому нельзя нагревать баллоны даже с негорючими газами.

4. Где это явление может происходить? В тепловых двигателях. Это и есть тема нашего урока.

IV. Изучение нового материала (25 мин.)

Люди давно узнали о мощной силе пара и задумались над тем, как ее использовать, то есть возникли идеи превратить внутреннюю энергию тела в механическую. Устройство, в котором происходит такое преобразование, называется тепловым двигателем.

* Тепловой двигатель – это устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Каков принцип действия тепловых двигателей?

Видеофильм1 (1мин.20c.) https://rutube.ru/video/54ffe8cc79f6891770f6e6c6d4e9fdd1/?r=wd

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей (слайд): нагревателя (Q₁)- источник внутренней энергии; рабочего тела (газ или пар), выполняющего механическую работу за счет внутренней энергии, полученной от нагревателя; холодильника (Q₂ < Q₁ ), обеспечивающего естественный процесс передачи тепла от более нагретого тела к менее нагретому (холодильником может быть окружающая среда). Из приведенной схемы видно, что при работе теплового двигателя далеко не вся выделившаяся при сгорании топлива энергия превращается в механическую: значительное количество теплоты передается окружающей среде.

Эффективность теплового двигателя тем выше, чем большую полезную работу А он выполняет при том же количестве теплоты полученной от нагревателя.

Поэтому основной характеристикой теплового двигателя является:

* Коэффициент полезного действия (КПД) - называют отношение полезной работы, выполненной двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя: или

Какие типы тепловых двигателей вы знаете? (вспомните какие вы изучали двигатели на уроках технологии)

Типы тепловых двигателей:

1. Паровая машина;

2. Двигатель внутреннего сгорания;

3. Паровая и газовая турбины;

4. Реактивный двигатель.

У каждого теплового двигателя есть своя история создания — она отражает не просто цепочку изобретений, а целый путь инженерной мысли, тесно переплетённый с потребностями эпохи: от первых паровых машин, решавших насущные задачи вроде откачки воды из шахт, до современных двигателей; за каждым таким двигателем стоят имена изобретателей, технические прорывы, а порой и долгие поиски удачных решений, позволившие человечеству шаг за шагом осваивать энергию тепла и преобразовывать её в полезную работу.

1. Паровая машина

История изобретения и начала развития тепловых машин идет с III века до нашей эры, когда великий греческий математик и механик Архимед создал пушку, стрелявшую с помощью пара.

Устройство паровой пушки представляло собой трубу, запаянную, с одной стороны. Из дульного среза вставляли ядро, а казанную часть нагревали до достаточно высокой температуры. Дальше через отверстие в казанную часть подавалась вода, которая от резкого перегрева испарялась и пар, расширяясь, выталкивал из пушки ядро. В данном случае система ядро-ствол — это первый прототип системы поршень-цилиндр. До настоящего времени пушка Архимеда дошла благодаря рукописям и рисункам известнейшего итальянского изобретателя, ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Видеофильм2 (3мин.30c.)

https://rutube.ru/video/ff1558e86bf7fed0a67b943de37f87ea/

 

Один из первых изобретателей паровых двигателей – российский механик Иван Ползунов, который в 1764 году построил свою пароатмосферную машину почти полностью из дерева, потому что железо в те времена было очень дорогим.

1765г. известный шотландский ученый и изобретатель Джеймс Уатт усовершенствовал, паровую машину. Не только поднял коэффициент полезного действия машины, но и окончательно превратил пароатмосферную машину в паровую, а главное – машина стала легко управляемой.

2. Двигатель внутреннего сгорания

Видеофильм3 (3мин.30c.)

https://rutube.ru/video/50b277b2225bc1bffcd9dd08c31136af/

1860 французский изобретатель Жан Этьен Ленуар сконструировал первый двухтактный двигатель внутреннего сгорания.

Немецкий механик – самоучка Николаус Отто в 1878 году создал первый двигатель, работавший по четырехтактному циклу на бензине.

1878 – 1888 гг. Рудольф Дизель работает над созданием двигателя принципиально новой конструкции. возгорание топлива от сжатия. Получивший название-дизельный.

3. Паровая и газовая турбины

В 1629 году итальянский математик и инженер Джованни Бранка предложил проект турбины в виде укрепленного на вертикальной оси диска с лопатками, вращающимся струей пара, подводимого по касательной к диску.

1889 шведский инженер, изобретатель Густав Лаваль построил первую паровую турбину.

4. Реактивный двигатель

Видеофильм4 (2мин.30c.)

https://rutube.ru/video/f218ae89ba08dcbdadaa2d7061a009c8/

200 лет до н. Герон Александрийский изобрел прибор, который так и называли Геронов шар – эолипил (в переводе с греческого «шар Эола – бога ветров») стал прообразом реактивной паровой турбины.

Создание современного реактивного двигателя принадлежит ученому-изобретателю: К.Э. Циолковский – 1930 год - рассчитывает реактивное движение, а также инженеру-конструктору С.П. Королеву.

4 октября 1957г. под руководством С.П. Королева запущена первая ракета со спутником на борту, а 12 апреля 1961 года Ю.А.Гагарин впервые на ракете улетел в космос.

 

 

Тепловой двигатель	К П Д в %
Паровая машина Ползунова Уатта	1 3 -4
Паровая турбина	35
Газовая турбина	45
Двигатель внутреннего сгорания	20 -35
Двигатель Дизеля Первый Тракторный Стационарный	22 28 - 32 34 - 44
Реактивный двигатель	47

Со времен появления первых тепловых двигателей ученые и инженеры стремились максимально увеличить их КПД. И они добились значительных успехов: если КПД первых паровых машин составлял всего около 1%, а КПД паровозов — около 5%, то КПД современных двигателей внутреннего сгорания достигает 35–40%. Таков же примерно КПД современных паровых турбин на тепловых электростанциях. (слайд-таблица)

Использование тепловых двигателей дает человеку огромные возможности и одновременно является наиболее сильным фактором разрушения природы. Но…

Информация для размышлений (Слайд)

1 тонна бензина выделяет 500–800 кг вредных веществ. В атмосферу каждый день выбрасывается 5 млрд. тонн СО₂. В состав выхлопных газов входит 1200 компонентов, в том числе оксиды углерода, азота, свинца и т.д.

Видеофильм5(2мин.)

https://rutube.ru/video/17493aab2452270dd4379d81896e8491/

Превращая тепло в работу, мы не должны превращать планету в пепел, каждый двигатель несёт ответственность перед будущим. Прогресс не должен оставлять за собой выжженный след, пусть тепло двигателей служит созиданию, а не истощению Земли.

V. Закрепление материала (6мин.)

Интерактивное упражнение «Неоконченное предложение»

1. Устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию…

2. Тепловые двигатели бывают…

3. Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей…∙4. Величина, равная отношению совершённой двигателем работы к количеству теплоты, выделившемуся при сгорании топлива…

5. Вся ли энергия, выделившаяся при сжигании топлива, превращается в механическую при работе теплового двигателя?

6. Преимущества в использовании тепловых двигателей…(слайд - способствует экономическому развитию, создает комфортные условия, удовлетворяет потребности человека в быстром передвижении)

7. Недостатки в использовании тепловых двигателей ... (слайд - загрязняет атмосферу, способствует повышению температуры окружающей среды, истощает природные ресурсы, негативно влияет на состояние здоровья человека)

Задача. Тепловой двигатель получает от нагревателя ежесекундно количество теплоты Q₁ = 3,6・10⁴ Дж, и за то же время отдает холодильнику Q₂ = 3,2・10⁴ Дж. Каков КПД двигателя?

VI. Итог урока (2мин.)

• итоговое слово учителя;
• комментирование оценок.

Учитель подводит итог урока и выставляет оценки.

VII. Домашнее задание (1мин.)

Проработать § 21, 24

Упражнение № 20 (2),

Найдите информацию. Воспользовавшись дополнительными источниками информации, найдите интересные факты о первых тепловых машинах, созданных человеком. (в формате: презентация, проект, сообщение)

Прозвенел звонок. Спасибо за урок!

 

Литература:

• Пёрышкин, А. В. Физика. 8 класс: учебник / А. В. Пёрышкин. — Москва: Дрофа, 2022. — ISBN 9785358198763.
• Лукашик, В. И. Сборник задач по физике. 7–9 классы: учебное пособие / В. И. Лукашик, Е. В. Иванова. — Москва: Просвещение.
• Перельман, Я. И. Занимательная физика. Книга 1 / Я. И. Перельман. — [Любое современное издание].
• Энциклопедия для детей. Том 16. Физика / гл. ред. М. Д. Аксёнова. — Москва: Аванта+, 2000. — ISBN 5848300173.
• Материалы Политехнического музея (электронный ресурс). — URL: polymus.ru (дата обращения: укажите актуальную дату).
• Научнопопулярный журнал «Наука и жизнь» (архив статей по теме «Тепловые двигатели и экология»). — URL: nauka.life (дата обращения: укажите актуальную дату).
• Видеоматериалы (Rutube) по теме «Принцип действия тепловых двигателей» (используются на этапе изучения нового материала).
• Онлайнэкспозиции Политехнического музея — визуализация паровой машины Ползунова, паровых турбин, ДВС.

 

Полный текст статьи см. в приложении.