Учебные задачи:
- познакомить обучающихся с принципами устройства и действия тепловых двигателей;
- сформировать умение решать задачи на нахождение КПД тепловых двигателей.
Воспитательная задача:
- воспитывать интерес к предмету, умение видеть экологические проблемы, связанные с развитием техники.
Развивающая:
- формировать логическое мышление.
Ход урока
1. Введение. Некоторые сведения из истории создания тепловых двигателей.
2. Новая тема. Принцип действия тепловых двигателей.
3. Основные элементы теплового двигателя (рабочее тело, нагреватель, холодильник).
4. Замкнутый цикл. КПД теплового двигателя.
5. Цикл Карно.
6. Воздействие тепловых двигателей на окружающую среду.
7. Закрепление нового материала по опорному конспекту.
8. Решение задач (заполнение разработанных к уроку дидактических таблиц).
Демонстрации.
1. Действие моделей паровой и газовой турбин.
2. Действие модели двигателя внутреннего сгорания.
3. Таблица «Цикл Карно»
4. Опорный конспект по теме урока (№3).
5. Диафильмы «Паровая и газовая турбины», «Двигатель внутреннего сгорания».
I. Первый универсальный тепловой двигатель (паровую машину) создал в 1774 году выдающийся английский изобретатель Джеймс Уатт. Этому, правда, предшествовало изобретение пароатмосферной машины русским механиком И.И. Ползуновым, однако его машина после нескольких месяцев работы была остановлена, а потом и вообще разобрана, в результате чего дело Ползунова на десятки лет было предано забвению. Машина же Уатта получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству. Позже, желая увековечить имя английского изобретателя, было решено назвать единицу мощности – ваттом.
Изобретение паровой машины способствовало созданию паровозов, пароходов и первых (паровых) автомобилей. Первые паровозы были созданы в Англии Р. Тревитиком (1803г.) и Дж. Стефенсоном (1814г.). Изобретателем парохода считается американец Р. Фултон. Свои первые испытания он проводил на реке Сене в Париже. Однако, когда он в 1804г. обратился к Наполеону Бонапарту с предложением перевести французские корабли на использование паровой тяги, то, как оно ни странно, получил отказ. А ведь какие возможности в борьбе с английским флотом открывало предложение Фултона, если бы Наполеон принял его предложение! Однако этот шанс французским императором был упущен. Через некоторое время Фултон вернулся на родину, и в 1807 г. по реке Гудзон отправился в свой первый рейс пароход «Клермонт».
II. По мере развития и внедрения в практику тепловых машин возникла необходимость в создании такой теории, которая объясняла бы принципы их действия. Итак: тепловыми двигателями называют устройства, совершающие механическую работу за счет использования внутренней энергии топлива. К ним относятся: паровая машина, паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания, двигатель Дизеля, реактивный двигатель и др.
Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает в себя получение рабочим телом энергии от нагревателя, расширение рабочего тела и совершение им работы, передачу неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение рабочего тела в исходное состояние.
Работа, совершаемая рабочим телом за один полный цикл, складывается из работы, совершенной им при расширении, и работы, совершенной им при сжатии: А=Арасш+Асж. Учитывая, что при сжатии газ совершает отрицательную работу, последнее равенство можно переписать так: А=Арасш-(Асж).
III. Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента:
1) рабочее тело, т.е. тело, которое в тепловом двигателе совершает работу;
2) нагреватель, т.е. устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет затем на совершение работы;
3) холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела: холодильником могут служить окружающая среда (атмосфера) или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара (конденсаторы).
Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклов, каждый из которых включает в себя получение рабочим телом энергии от нагревателя, расширение рабочего тела и совершение им работы, передачи неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение рабочего тела в исходное состояние.
IV. 1. Далее на основе просмотра диафильмов «Паровая и газовая турбины», «Двигатель внутреннего сгорания» и работы с моделями паровой и газовой турбин, двигателя внутреннего сгорания разбираем следующие вопросы:
1) Замкнутый цикл паровой и газовой турбины.
2) Замкнутый цикл работы двигателя внутреннего сгорания.
3) Что является нагревателем, холодильником и рабочим телом каждой тепловой машины?
2. Далее вводим понятия коэффициента полезного действия теплового двигателя. В процессе действия теплового двигателя его рабочее тело периодически получает от нагревателя количество теплоты Q1, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Q2. Отсюда: коэффициентом полезного действия теплового двигателя называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, получаемой от нагревателя.
Так как А=Q1-(Q2) и k измеряется в процентах (%), то формула имеет вид:
3. После всей этой работы всем классом начинаем заполнять таблицу -
приложение № 1 используя данные, включая приложения № 2 (Приложения находятся у каждого ученика)
V. В усовершенствование работы тепловых двигателей большой вклад внес французский ученый С. Карно: Из его работы следует, что максимальный коэффициент полезного действия теплового двигателя определяется по температурам нагревателя и холодильника.
отсюда ηмах ≥ η < 1 или < 100%
Цикл работы теплового двигателя по С. Карно заключается в следующем:
Охлаждение газа после его изотермического расширения 1-2, при котором газу сообщалось количество теплоты Q1, достигается адиабатным расширением (2-3), при котором газ совершает работу за счет своей внутренней энергии, в результате его температура и давление уменьшаются соответственно до Т2, Р3 (3-4). Затем газ изотермически сжимают, отбирая от него с помощью холодильника некоторое количество теплоты Q2 и, наконец, возвращают в исходное состояние, сжимая по адиабате (4-1).
Для повышения КПД тепловых двигателей следует понижать температуру холодильника Т2 и увеличивать температуру нагревателя Т1. Но первому из этих путей мешает то, что температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха, а второму пути – то, что любой материал обладает ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. Поэтому на практике КПД тепловых двигателей повышают за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т.д.
VI. Широкое использование тепловых двигателей в энергетике и транспорте не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается содержание кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.
VII. Для закрепления материала идет работа с опорным конспектом
(приложение № 3).
VIII. Затем ученикам предоставляется возможность применить полученные знания на практике (решение задач – заполнение дидактических таблиц).
Ученикам выдаются тетради для практических работ и дидактические таблицы (у каждого свой вариант), которые они должны заполнить. Например: Вариант 1. Строчка 1. В строке № 1 известны следующие величины (А1,Т2,k), неизвестны (Q1,Q2,Т1). Опираясь на полученные знания, ученик должен найти эти неизвестные и записать их в таблицу. Так заполняется все пять строчек таблицы.
Выписываем известные нам формулы:
|
(1) η = Q1-Q2 х 100% |
(4) η = А х 100% |
|
(2) η = Т1 – Т2 х 100%
|
(3) А = Q1 - Q2 |
Из этих формул выражаем наши неизвестные величины:
Q1 из (4) Q1 = А х 100%
η
Q2 из (3) Q2 = Q1 – А
Т1 из (2) Т1 = Т2________
1 – η
100%
Проводим расчеты:
Q1 = 200Дж х 100% ≈ 667Дж
30%
Q2 = 667 Дж – 200 Дж = 467Дж
Т1 = 300К = 300 = 428,6К
1- 0,3
0,7
Заносим эти значения в таблицу и заполняем следующие строчки. Когда работа закончена, тетради сдаются.
Домашнее задание: параграф 31, закончить заполнение таблицы, задачи № 125, 126
Литература:
1. Физика 11 С.В. Громов Москва: «Просвещение», 2001
2. Тематическое и поурочное планирование. Физика 10 В.А. Касьянов. Москва: «Дрофа», 2003
3. Тематическое и поурочное планирование. Физика 10 А.В. Авдеева, А.Б. Долицкий. Москва: «Дрофа», 2003
4. Методика преподавания физики в средней школе под редакцией С.Я. Шамаша. Москва: «Просвещение», 1998г.
5. Преподавание молекулярной физики в средней школе В.П. Орехов, Э.Д. Корж. Москва: «Просвещение», 1986