Цели урока:
а) познавательные - проследить историю создания тепловых двигателей, познакомить с их устройством и принципом действия, применением тепловых двигателей в народном хозяйстве. Оценить положительные и отрицательные стороны их применения;
б) воспитательные – воспитывать умение слушать товарища, формировать умение работать с дополнительной литературой.
План урока
1) Оргмомент.
2) Слово учителя.
a) Необходимость создания тепловых двигателей.
b) Превращение энергии в тепловых двигателях.
c) К.П.Д. тепловых двигателей.
3) Виды тепловых двигателей, история создания и применение этих видов двигателей. (Сообщения учащихся).
a) паровая машина (первый доклад).
b) двигатель внутреннего сгорания (второй доклад).
c) дизельный двигатель (третий доклад).
d) паровая турбина (четвертый доклад).
e) реактивный двигатель (пятый доклад).
f) тепловые двигатели и охрана окружающей среды (шестой доклад).
4) Подведение итогов, решение кроссвордов.
5) Задание на дом.
Оформление урока
Демонстрации:
а) выталкивание паром пробки из пробирки (штатив с муфтой и лапкой, пробирка с пробкой, стакан с водой, горелка);
б) модель паровой машины;
в) модель двигателя внутреннего сгорания;
г) модель шара Герона;
д) модель турбины.
Ход урока
Рассказ учителя. До конца XVII – начала XVIII веков человек не построил никаких двигателей, кроме ветряного и водяного. Созданием новых двигателей люди в те времена не занимались потому, что все хозяйство держалось на рабах, а позже в средние века – на крепостных, которые выполняли почти всю работу, необходимую для жизни общества.
Но вот в городах начали зарождаться новые ремесленные цеха, а позднее более крупные производства – мануфактуры, где труд был разделен на отдельные операции – несложные операции. Поскольку простую операцию может выполнить машина, появляются различные виды машин. Для изготовления машин требуется много металла, а для его выплавки – угля. Уголь нужно добывать из глубоких шахт, и перед людьми встали вопросы: как приводить в движение машины; чем откачивать воду из шахт; чем заменить труд лошадей, перевозивших уголь на большие расстояния; как избавиться от зависимости движения кораблей от ветра и др. Люди поняли, что надо создать такой двигатель, который мог бы выполнять любую работу, не будучи связан с водой, не зависящий от погоды, способный приводить в действие самые разнообразные механизмы. Новый двигатель должен был иметь малые размеры, вес, работать от источника энергии, который находился бы тут же на машине. И человек построил такой двигатель, точнее, двигатели. Это были тепловые двигатели (на доске появляется тема урока).
ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
В тепловых двигателях внутренняя энергия рабочего тела (им является пар или газ) превращается в механическую энергию. Для того чтобы пар или газ совершили работу, их надо нагреть до высокой температуры. Расширяясь, они совершают работу.
Давайте проследим протекание этих процессов на опыте.
Опыт. Выталкивание паром пробки из пробирки.
При нагревании воды увеличивается масса пара, находящегося под пробкой, его давление, и наступает момент, когда пар выталкивает пробку – совершает работу.
Обратите внимание на то, что пар выходит еще
горячий, хотя часть энергии он израсходовал на
совершение работы. Ту часть энергии, которую пар
сохранил, выходя из пробирки, он отдает воздуху,
имеющему более низкую 
температуру. В физике любое тело,
которому отработанный газ или пар отдают
оставшуюся у них после совершения работы
энергию, называют холодильником. Для
характеристики работоспособности двигателей
вводят понятие коэффициента полезного действия.
С этим понятием вы были уже знакомы в курсе
физики 6-го класса. Впервые ввел в науку и технику
понятие коэффициента полезного действия
двигателя французский инженер Сади Карно.
.
Давайте обратимся к диаграмме и рассмотрим распределение энергии при работе теплового двигателя (объяснение диаграммы).
А теперь давайте познакомимся с некоторыми видами тепловых двигателей
.
(Имена ученых появляются на доске во время рассказов ребят)
Сегодня на уроке мы познакомимся с устройством и принципом действия тепловых двигателей, но вначале несколько слов об изобретателях этих двигателей.
1-й доклад.
Две с половиной тысячи лет назад. Т.е. в III веке до нашей эры греческий ученый математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Ее описания были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого Леонардо да Винчи. Как она стреляла? Один конец ствола сильно нагревали на огне, затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Сам Леонардо да Винчи задумывался над тем, как использовать внутреннюю энергию пара. На одном из его рисунков изображен цилиндр с поршнем. В нем находится вода, которая подогревается. В результате нагрева пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, ищет выход и толкает поршень. Во время движения вверх поршень совершает работу. Чтобы поршень возвратился назад, цилиндр обливали холодной водой – пар конденсировался и тяжелый поршень опускался вниз. Это был первый паровой двигатель, но он не получил распространения.
Попытки построить паровые двигатели предпринимались многими изобретателями, но самой удачной была машина, построенная англичанином Т.Ньюкоменом в 1711 году.
В конце XVIII в. В России на Алтае работал гениальный русский изобретатель Иван Ползунов. Он значительно усовершенствовал паровую машину. Ему принадлежит честь создания проекта первого универсального парового двигателя – паровой машины – она приводила в действие воздуходувные меха, нагнетающие воздух в плавильные печи. Но она проработала 43 часа и встала навсегда (котел дал течь, кожа, которой были обтянуты поршни, истерлась). Об этой машине вскоре забыли. Восстановить свое детище Иван Ползунов не мог, так как машина была пущена в работу уже после смерти изобретателя (1765г.). Он умер в возрасте 38 лет.
Создателем универсального парового двигателя, который получил большое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он построил двигатель, который годился для любой машины и их стали ставить на машины, корабли, паровозы. Но к.п.д. паровой машины не превышали 15-20%.
Демонстрация модели паровой машины. Устройство машины и принцип ее действия.
2-й доклад.
Паровую машину из-за ее низкого к.п.д. к середине XIX века начинают вытеснять двигатели внутреннего сгорания. Прообразом первого двигателя внутреннего сгорания могут служить такие виды оружия как пушка, ружья, используемые с давних времен. В их ствол засыпали порох, клали ядро или патрон и поджигали порох. Пушка или ружье стреляли. Еще в конце XVII – начале XVIII в. Дени Папен придумал устройство, в котором под поршень цилиндра надо было насыпать порох и поджечь его. Образовавшиеся газы должны были, расширяясь поднять поршень. Затем цилиндр нужно было облить водой и поршень должен был опуститься вниз под действием собственной силы тяжести. Такова была идея, но при первом же испытании машина была разрушена взрывом. На создание новой машины у изобретателя не было денег. Это был прообраз современного двигателя внутреннего сгорания. Первый двигатель внутреннего сгорания пригодный к использованию был изобретен французским изобретателем Ленуаром. Его двигатель был похож на паровую машину, но в цилиндр поступал не пар, а горючая смесь, поджигаемая свечой.
Но к.п.д. двигателя Ленуара был всего 3-5%. Немецкий механик – самоучка Николай Отто в 1878 году создал первый двигатель, работавший по четырехтактному циклу и имеющий к.п.д.22%.
С принципом работы такого двигателя мы познакомимся с помощью его модели.
Демонстрация модели четырехтактного двигателя.
Далее следует рассказ об устройстве двигателя внутреннего сгорания и принципах его работы.
3-й доклад.
Борьба за повышение к.п.д. двигателя внутреннего сгорания продолжалась. В 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на новый вид двигателя внутреннего сгорания, названный в честь него дизельным. В цилиндре сжимался воздух, причем в 2,5 раза больше, чем в двигателе Отто (карбюраторном). При таком сжатии температура воздуха повышалась настолько, что при впрыскивании топлива в цилиндр, оно сразу воспламенялось, т.е. для такого двигателя не надо было свечи, чтобы поджигать топливо. Сначала в дизельном двигателе топливом служил керосин, затем нефть, мазут. (Кстати в самолетах до сих пор используют керосин.) К.п.д. дизельного двигателя достигает 44%.
Судьба самого Рудольфа Дизеля была трагичной. 29 сентября 1913 он сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в1886 году немецким механиком Г. Даймлером.
Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно важно. Карбюраторные двигатели устанавливаются на автомобилях, мотоциклах, вертолетах; дизельные – на теплоходах, тепловозах, тракторах, тяжелых автомобилях, самолетах.
Основные направления в развитии двигателестроения включают в себя:
а) увеличение производства дизельных грузовых автомобилей и автопоездов с уменьшенным на 25-30% по сравнению с бензиновыми двигателями потреблением топлива;
б) ускорение перехода на производство легковых автомобилей с дизельными двигателями. Значительное расширение производства автомобилей, работающих на сжатом и сжиженном газе.
4-й доклад.
В 1629 году итальянец Бранка создал проект колеса с лопатками. Оно должно было вращаться, если струя пара с силой ударяет по лопаткам колеса. Это был первый проект паровой турбины, которая впоследствии получила название активной турбины.
Демонстрация модели паровой или газовой турбины. (Объяснение устройства и принципа работы паровой и газовой турбин).
Но турбостроение по существу началось только с конца XIX в., когда стала ощущаться нужда в быстроходном двигателе. В 1883 году шведский инженер Лаваль получил патент на активную паровую турбину. У первых паровых турбин был существенный недостаток: из-за огромной скорости струи пара скорость вращения турбины была излишне велика. Уменьшить скорость вращения турбины смогли, укрепив на диске не один ряд лопаток, а больше и применив несколько ступеней давления.
Паровая турбина имеет ряд достоинств: ее к.п.д. достигает 40%, если велики давление и температура пара (p ? 24 МПа, t ? 560 0 С); вал паровой машины вращается плавно и равномерно; турбина занимает мало места; вода, получаемая при конденсации отработанного пара, очень чиста, что весьма важно для питания паровых котлов.
В настоящее время паровые турбины являются почти единственным тепловым двигателем на мощных тепловых электростанциях, служат основным двигателем на крупных судах, турбины средних размеров и даже небольших мощностей применяют для привода насосов, воздуходувок и пр. Газовые турбины устанавливаются на мощных грузовых машинах типа БелАЗ.
5-й доклад.
По мере развития авиации возникла необходимость в создании нового двигателя, который мог бы поднять самолет на большую высоту, развить у него большую скорость, увеличил бы дальность полета самолета. Для больших высот и скоростей понадобились новые двигатели – реактивные.
Ракета была изобретена в Древнем Китае. С давних пор в праздничные дни люди любуются тем, как взлетая вверх, ракета рассыпается каскадом разноцветных искр. Но почему взлетает ракета? В обыкновенной ракете порох, сгорая, образует много газов. Они вытекают струей из отверстия вниз и, взаимодействуя с корпусом ракеты, толкают ее вверх. Принцип реактивного движения был использован еще во II в. до нашей эры александрийским ученым Героном в устройстве игрушки – шар Герона.
Демонстрация принципа действия шара Герона и ракеты на модели шара и с помощью обычного воздушного шарика.
Если в корпусе ракеты есть запасы не только
горючего, но и окислителя, то ракета может
двигаться и в безвоздушном пространстве. Одним
из первых, кто предложил использовать ракеты для
полетов в космос, был русский ученый Константин
Эдуардович Циолковский. Он впервые разработал
теорию реактивного движения. Аналогичную теорию
космических полетов предложил русский
революционер Н. Кибальчич. Рукописи его работ
были найдены через несколько лет после его казни
в архивах Петропавловской крепости. В нашей
стране
4 октября 1957 года был запущен первый в мире
искусственный спутник Земли.
Полет человека в космос впервые в истории был осуществлен в Советском Союзе 12 апреля 1961 года. Корабль – спутник «Восток» пилотировал первый в мире летчик-космонавт Ю.А. Гагарин.
Развитие космонавтики и проведение исследований в космосе оказали большое влияние на развитие техники и ряда наук: астрономии, медицины, метеорологии и др.
В настоящее время реактивные двигатели используются не только на ракетах, но и на реактивных и турбореактивных самолетах, реактивных катерах выбрасывающих из корпуса для создания реактивной тяги мощную струю воды.
Итак, мы с вами рассмотрели значение, устройство и применение тепловых двигателей в народном хозяйстве. Какие же проблемы могут возникать при работе тепловых двигателей? Давайте заслушаем еще одно сообщение.
6-ой доклад.
При работе тепловых двигателей в атмосферу выбрасывается огромное количество теплого пара или газа, что приводит к дополнительному нагреванию атмосферы. Большая электростанция мощностью 1 тыс. МВт, работающая на угле производит 6 млн. т. углекислого газа, что эквивалентно выхлопам 2 миллионов автомобилей. В последующие десятилетия общее всемирное производство углекислого газа удвоится т.к. США, Китай, Индия и другие страны строят новые электростанции. Соединяясь с водяными парами в атмосфере, углекислый газ образует угольную кислоту. Даже очень слабая (в тысячу раз менее кислая, чем апельсиновый сок, продаваемый в магазинах) угольная кислота «чистого» дождя за столетия разъедает кирпич, металл, мрамор.
При сжигании топлива образуются оксиды азота (в угольных котлах на 1м3 дыма — несколько грамм, в газовых — до 5г). За год только в России в воздух выбрасывается 2 млн. т. NOх. Попав в атмосферу и растворяясь в дождевой воде, они становятся азотной кислотой. Реагируя с содержащимися в воздухе разнообразными примесями, они образуют токсичные соединения, которые выпадают на поверхность воды и суши (а также на наши головы) с кислотными дождями.
Последствиями настоящих кислотных дождей является засорение (засоление) почв, открытых и подземных вод, гибель лесов, нарушение химического состава в экосистемах. Кроме того, в «кислой» воде лучше растворяются такие опасные металлы как кадмий, ртуть, свинец, содержащиеся в почве и донных отложениях, что влияет на чистоту потребляемой людьми и животными воды.
Кроме того, при работе двигателей внутреннего сгорания в атмосферу выбрасываются свинец и другие вредные вещества.
Решение проблем, возникающих при работе тепловых двигателей, ученые и конструкторы видят в увеличении КПД тепловых двигателей, в создании условий для наиболее полного сгорания топлива, в улавливании и переработке углекислого газа и окислов азота, в замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические.
Закрепление (решение кроссворда)
По горизонтали. 1.Отец русской космонавтики. 2. Изобретатель первой паровой пушки. 3. Русский изобретатель первой паровой машины. 4. Механик, впервые поставивший бензиновый двигатель на машину. 5. Изобретатель первой паровой машины, получившей широкое распространение. 6. Главный конструктор ракетной техники. 7. Вид теплового двигателя. 8. Часть двигателя.
По вертикали. 1, 2, 3, 5. Части двигателя. 4. Устройство, приводящее в движение механизмы. 6. Устройство, работающее на реактивном двигателе.
Ответы:
По горизонтали. 1.Циолковский. 2. Архимед. 3. Ползунов. 4. Даймлер. 5. Уатт. 6. Королев. 7.Турбина. 8. Шатун.
По вертикали. 1.Поршень. 2. Цилиндр. 3. Клапан. 4. Двигатель. 5. Вал.
6. Ракета.
Задание на дом.
Литература.
- А.В.Перышкин Учебник физики 8 кл "Просвещение", Москва 2004г.
- М.Н.Алексеева Физика - юным " Просвещение", Москва 1960г.
- Н.Г.Кириллова Книга для чтения по физике "Просвещение", Москва 1986г.
- Журналы «Экология» за 2005г.