Цели:
- раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей,
- обеспечить усвоение учащимися теории, систематизировать полученные знания.
- развивать умение анализировать, сравнивать, обобщать полученные знания.
- совершенствовать умения составления краткого конспекта по ходу рассказа.
Методы обучения: наглядный (демонстрация), словесный (разъяснение)
Тип урока: урок усвоения нового материала.
Оборудование: презентация по теме “Тепловые двигатели”, диск компании “Физикон” - “Физика. 7-11 классы. Практикум” или “Открытая физика”, в. 2.5, ч.2., “Физика 10” Касьянова В.А., Рымкевич А.П. “Сборник задач по физике 10-11”.
Ход урока
I. Организационный момент
Приветствие учителя учащимися, сообщение учителем целей и задач урока.
II. Актуализация прежних знаний и способов действия.
- Какие процессы могут происходить в газах? Что это за процессы?
- Назовите закон для изотермического, изобарного, изохорного процесса. Что является графиками этих процессов?
- Как рассчитать внутреннюю энергию газа? Работу газа?
- Сформулировать первый закон термодинамики.
- Как применить данный закон для изобарного процесса? Изменение каких параметров равно нулю?
- Как применить данный закон для изохорного процесса? Изменение каких параметров равно нулю?
- Как применить данный закон для изотермического процесса? Изменение каких параметров равно нулю?
- Как применить данный закон для адиабатного процесса? Изменение каких параметров равно нулю?
- При быстром сжатии газа температура его
повысилась. Можно ли сказать, что
- газу сообщено некоторое количество теплоты? (нет)
- внутренняя энергия газа увеличилась? (да)
III. Изучение нового материала.
Принцип работы тепловых двигателей. (Слайд 1)
На предыдущем уроке мы рассмотрели различные виды тепловых двигателей, проследили историю их создания – от самых первых до наших дней. Кроме того, вспомнили основную характеристику всех двигателей – КПД. В работе всех двигателей можно выделить следующие общие черты (слайд 2).
1) энергия топлива —> механическая энергия.
При этом энергия топлива сначала превращается во внутреннюю энергию газа или пара, нагретых до высокой температуры. По 1-му закону термодинамики все подводимое тепло расходуется на увеличение внутренней энергии газа (или пара) и на совершение им работы. Следовательно, давление газа или пара увеличивается, пар (газ) будет действовать на поршень с некоторой силой, и поршень приходит в движение. При максимальном расширении давление пара (газа) уменьшается и уже поршень начинает давить на газ с некоторой силой, сжимая его до первоначального объема (слайд 3)
2) Для непрерывной работы двигателя необходимо создать цикл. Это можно осуществить при наличии двух тел с различными температурами. Они называются нагревателем и холодильником. Кроме того, необходимо рабочее тело (пар или газ).
В процессе работы теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя некоторое количество теплоты Q1 и превращает часть его в механическую энергию А, а непревращенную часть теплоты Q2 передает холодильнику. Холодильником, чаще всего, бывает окружающая среда.
По закону сохранения и превращения энергии A=Q1-Q2
3) Работа любого теплового двигателя циклична. Каждый цикл состоит из разных процессов:
- получение энергии от нагревателя;
- рабочего хода (расширения рабочего тела и превращения части полученной энергии в механическую);
- передачи неиспользованной части холодильнику.
Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника – принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя. Как мы уже выяснили, основной характеристикой является КПД теплового двигателя (слайд 4).
Рассматривая работу двигателя, французский инженер-физик С. Карно (слайд 5) определил условия существования и работы идеального теплового двигателя.
(сопровождается докладом учащегося о жизни и деятельности Сади Карно)
- Что из себя представляет идеальный тепловой двигатель?
Это двигатель, холодильником для которого является среда при температуре равной абсолютному нулю температур. Карно определил формулу, по которой может быть рассчитан КПД:
(слайд
6)
Выясняем, от чего зависит КПД идеального двигателя и от чего она не зависит.
a) не зависит от Q, r , V, m топлива;
б) является функцией только температур и зависит только от разности температур нагревателя и холодильника
в) КПД любого двигателя не может быть больше КПД идеального двигателя, который равен 100%
Для того, чтобы двигатель мог работать с наибольшим КПД, он должен работать по циклу, который мы называем цикл Карно. Данный цикл включает в себя адиабатические и изотермические процессы (слайд 7).
IV. Работа с моделью “Цикл Карно” (рис.1)
При работе с моделью обращаю внимание учащихся на температуры нагревателя и холодильника, их разницу, что при этом происходит с КПД идеального двигателя. Кроме того, рассматриваем скорости молекул – при демонстрации прошу отметить, как они будут изменяться при изотермическом и адиабатном процессе.
Под моделью сосуда находится энергетическая диаграмма, на которой отражены все основные параметры: при проведении эксперимента, можно увидеть их изменение.
V. Закрепление: (Р) № 671, 672.
VI. Домашнее задание: § 58, задачи (К)с.210 № 1-5.