Интегрированный урок (физика + химия). Тема: "Роль автомобиля в жизни человека"

Цель урока: обобщение и углубление знаний учащихся по теме: “Тепловые двигатели”, “Природные источники углеводородов и их переработка”

Задачи образовательные:

• Закрепление понятий “Двигатели внутреннего сгорания” и принципы их действия, виды топлива и физико-химические процессы в природе;
• Закрепление умения учащихся работать с дополнительной литературой.

Воспитательные задачи:

• Стимулировать познавательную активность ребят и интерес к предметам;
• Воспитывать потребность у учащихся применять знания, полученные на уроках физики, химии и других предметах в окружающей, повседневной жизни;
• Воспитывать у учащихся бережное и разумное отношение к окружающей природе, толерантность.

Развивающие задачи:

• Развитие личности ребенка в процессе самостоятельной исследовательской деятельности;
• Развитие критического мышления, способности учащихся анализировать ситуации, связанные с охраной атмосферы;
• Совершенствование умений анализировать, классифицировать, делать выводы

Технологии: информационные технологии обучения: личностно-ориентированные, развивающие обучение (И.С. Якиманская), развитие критического мышления.

Методы:

1. По источникам знаний:

• Словесный (беседа, рассказ);
• Наглядный (наблюдение учащихся, иллюстраций);
• Практический (опыт);

2. По характеру познавательной деятельности:

• Проблемный
• Частично-поисковый (самостоятельная работа учащихся, лабораторная работа);

3. По степени самостоятельности школьников:

• Учебная работа под руководством учителя;
• Самостоятельная работа учащихся

Оборудования: плакаты (устройство двигателя внутреннего сгорания), презентации учащихся, компьютерное обеспечение, т. с. о., реактивы (бензин, солярка, белок, соль свинца).

План работы:

1. Историческая справка и т.д.
2. Двигатели внутреннего сгорания (карбюраторный и дизельный), их устройство и принцип работы
3. Топливо, его виды
4. Загрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами, автотранспортом; их влияние на здоровье человека
5. Мероприятия по борьбе с загрязнениями атмосферного воздуха автотранспортом: альтернативные виды топлива и новые виды автотранспорта
6. Работа с тестом
7. Домашнее задание

После изучения тем по физике “Тепловые двигатели. К.П.Д. двигателей. Охрана окружающей среды” и по химии “Природные источники углеводородов и их переработка” мы проводим совместный обобщающий урок в форме семинара, используя групповую форму работы. Групповая форма работы привлекает учащихся к живой творческой работе, так как материал интересен, связан с обыденной жизнью и вполне доступен. Каждая группа работала самостоятельно, используя материалы интернета, местный материал, составляли презентации.

В работе семинара принимают участие историки, специалисты по ТД, химики-технологи и экологи, представители ГАИ.

“Нельзя допускать, чтобы
люди направляли на свое
собственное уничтожение
те силы природы, которые
они сумели открыть и
покорить”.
Ф. Жолио-кюри.

“Или люди сделают так,
чтобы в воздухе стало
меньше дыма, или дым
сделает так, что на земле
станет меньше людей”.
Л.Дж. Баттан.

Вступительное слово учителя: Здравствуйте уважаемые гости, ребята.

Тема нашего урока: “Роль автомобиля в жизни человека”

Цель нашего урока – решить эту поставленную проблему путем обобщения и систематизации знаний в области химии, физики и экологии.

А для того чтобы ее решить, начнем со статистики, которую представят Вам историки.

(звучит песня “Автомобили”, муз. В. Матецкого, сл. М. Шаброва)

Немного статистики:

В городе Абдулино Оренбургской области 25 тысяч жителей. На 1000 человек населения обеспеченность собственным легковым автомобилем на начало 2007 года составляет по Абдулинскому району – 228,7 шт, по городу Абдулино – 204,0. наличие легковых автомобилей в собственности граждан Абдулинского района на начало 2007 года составляет 2882 шт, а по городу Абдулино 4324 шт.

Доля автотранспорта во вредных выбросах составляет 0,7%. Ежегодно с отработанными газами в окружающую среду попадает 0,1 тыс. тонн токсичных веществ. Всего же по России на долю автомобильного парка приходится свыше 20 млн. тонн в год.

Выхлопные газы ДВС вызывают 70% детских болезней. Считают, что болезни человечества на 68% вызваны дыханием отравленного воздуха. Так, Вероятность заболевания раком на 57-80% зависит от состояния окружающей среды. Поэтому настало время выяснить о “Роли автомобиля в жизни человека”.

Учитель физики: Семинар считается открытым. Предоставляется слово “Историкам, дав им возможность ответить на вопрос: “Почему возникла необходимость в Т.Д?”.

(презентация учащихся №1 “История свидетельствует”)

Историки: Наряду с политическими революциями в 18 веке произошли экономические промышленные революции, в результате которых ремесленный способ производства вытиснился фабрично – заводским. Характерной чертой времени стали технические изобретения и усовершенствования, которые следовали одно за другим как ответы на задачи растущего фабричного производства. В первую очередь фабрики потребовали новый источник механической энергии и такой был создан – им стал паровой двигатель. В 19 веке в связи с быстрым развитием торговли и промышленности появилась потребность в новом виде транспорта, соответствующим новым экономическим условиям. Паровая машина – энергетическая основа крупной машинной индустрии – оказалась универсальным двигателем и на транспорте.

История свидетельствует, что:

1)тепловые машины-1765г. – жел. дор. транспорт.
2)паровая турбина – 1625г. – Т.Э.С.,А.Э.С.

5)реактивные – 1903г. авиация

Выводы историков:

Обратите внимание на то, что сфера применения Т.Д. обширна. Поэтому мы приходим к такому выводу: Без Т.Д. современная цивилизация не мыслима. Они дают самую дешевую электроэнергию и разные виды скоростного транспорта, выполняют трудоемкие работы.

Слово учителя физики: Сегодня мы говорили об автомобиле, потому обратимся к специалистам по Т.Д. с вопросом: Каковы преимущества Д.Д. перед карбюраторными Д.В.С. Предоставим слово специалисту по Т.Д.

(презентация №2 о ДВС )

1 специалист по Т.Д.: Первый ДВС работал на газе. Изобрел его в 1878 г. немецкий механик-самоучка Николай Отто. Позже его коллега, инженер Даймлер, построил двигатель, работавший на бензине.

Это был 1885 г.

Карбюраторный ДВС имеет карбюратор - устройство, в которое поступают бензин и воздух, при этом получается горючая смесь. Напомним принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя (используется модель ДВС).

В I такте в результате движения поршня вниз происходит всасывание через впускной клапан горючей смеси, выпускной клапан закрыт. Совершая возвратное движение, поршень во II такте сжимает (оба клапана закрыты) горючую смесь, которая при этом нагревается. Когда поршень поднимется почти до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь поджигается электрической искрой от свечи. Раскаленные газы - продукты сгорания горючей смеси — давят на поршень и толкают его вниз. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу и маховику. Поршень совершает полезную работу. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает соединенный с ним поршень при последующих тактах. Этот третий такт является единственным рабочим тактом из четырех. Когда поршень достигает крайнего нижнего положения, газы охлаждаются при расширении и давление падает до

2*10⁵ -3 • 10⁵ Па. Оба клапана в III такте закрыты. В IV такте поршень поднимается вверх и выталкивает отработанные газы через выпускной клапан, который в это время открывается, в атмосферу.

Давайте посмотрим график изменения состояния газа в цилиндре ДНС на p, Vдиаграмме

I такт — всасывание горючей смеси, объем увеличивается при р = const.

I I такт - сжатие горючей смеси (кривая 2—3). В конце сжатия (точка 3) с помощью электрической искры горючая смесь зажигается, происходит "взрыв " - давление скачком повышается (кривая 3—4).

I I I такт — рабочий ход (кривая 4—5), в конце которого (точка 5) открывается выпускной клапан, давление резко падает (кривая 5—6), но оно больше атмосферного, поэтому отработанные газы выталкиваются в окружающую среду (кривая 6—7); это IV такт -выхлоп.

Цикл завершен, закрывается выпускной клапан, открывается впускной, и начинается новый цикл. Полезная работа ДВС равна площади фигуры 2—3—4—5—6—2.

Вывод:

Малая масса, компактность, сравнительно высокий кпд (25—30%) обусловили широкое применение карбюраторных двигателей. Они приводят в движение автомобили, мотоциклы, моторные лодки, применяются в бензопилах.

Но есть и недостатки:

работают на дорогом высококачественном топливе, довольно сложны по конструкции, имеют большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.

(Презентация № 3 о Д.Д.)

2 специалист по Т.Д. Более экономичен 4-тактный дизельный ДВС. В 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель , в цилиндре которого сжимался воздух, а не горючая смесь. Дизельный двигатель работает без карбюратора и свечи, на дешёвых сортах топлива, причём расходует его меньше.

Рассмотрим принцип его работы.

1 такт: при ходе поршня вниз через впускной клапан в цилиндр засасывается атмосферный воздух (изобара 1-2)

2 такт: при ходе поршня вверх воздух адиабатно сжимается до давления примерно 1,2*10⁶ Па, что ведёт к повышению его температуры в конце такта (2-3) до 500-700 ⁰С. В сжатый раскалённый воздух впрыскивается с помощью топливного насоса и форсунки дизельное топливо, оно воспламеняется (причём горит дольше бензина).

3 такт: образующиеся при горении газы давят на поршень и производят полезную работу во время движения поршня вниз. Давление расширяющегося газа поддерживается приблизительно постоянным (изобара 3-4). По окончании горения впрыснутой порции топлива происходит адиабатное расширение газа (4-5), открывается выпускной клапан, давление падает (изохора 5-6).

4 такт: поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания в атмосферу (изобара 6-7).

Цикл завершён. Полезная работа равна площади заштрихованной фигуры. Видим, что она больше полезной работы карбюраторного двигателя, поэтому больше КПД (35-40%). Дизельные двигатели устанавливаются на тракторах и автомобилях, на речных и морских теплоходах, на дизель - электроходах, тепловозах, электростанциях небольшой мощности.

Вывод:

Исходя из выше изложенного, мы можем сделать следующий вывод: полезная работа Д.Д. выше, чем ДВС; потому КПД ДД (35-40%) а КПД ДВС (25-30%), но у ДВС малая масса, они компактны и приводят в движения автомобили, мотоциклы, моторные лодки, применяются в бензопилах. Масса ДД больше, они громоздки, их устанавливают на тракторах, речных и морских теплоходах, на тепловозах, на электростанциях не большой мощности.

Учитель химии: Мы рассмотрели устройство двигателей внутреннего сгорания. Работа двигателей зависит от видов топлива.

(Презентация №4 ХИМИЯ)

Химики- технологи представляют способы получения топлива. Карбюраторные двигатели работают на бензине. Сырьем для получения бензина служит нефть.

Различают два способа переработки нефти.

Перегонка – физический метод разделения смеси компонентов с различными температурами кипения. При этом нефть разделяют на фракции, где выход бензина составляет 15%. Бензин прямой перегонки нефти представляет собой смесь углеводородов нормального строения, поэтому у него невысокое октановое число( 50- 65 ). Такой бензин не пригоден для использования, его качество повышают при процессах изомеризации или добавления антидетонатора тетраэтилсвинца Pb (C₂H₅)₄ . Но такой бензин очень ядовит действует на нервную систему, вызывает тяжёлые хронические заболевания. В последнее время стали применять новый антидетонатор - марганцевоорганические соединения С₂Н₅Мn(СО)₃ , которое не обладает токсичным действием. При прямой перегонки нефти выделяют и дизельное топливо - соляровое масло (солярка).

Более качественный бензин можно получить путем крекинга мазута. Крекинг-это термическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле. В результате повышается выход бензина на 55%. Различают 2 вида крекинга термический и каталитический. Каталитический крекинг более эффективный – даёт бензин высокого качества, т. е. идёт процесс изомеризации.

Вывод: вид топлива зависит от способа получения.

Учитель физики: Спасибо нашим химикам-технологам. И продолжаем наш разговор о Т.Д. Рассмотрим схему Т.Д. Слово предоставим экологам.

(презентация № 5 схема теплового двигателя)

Виды Т.Д. разнообразны, но схема устройства Т.Д одна. Ее можно представить так

Реально КПД= 15 – 40 %. Естественно, возникает вопрос: Почему КПД Т.Д. невысок? Т.Д. работают циклично, то есть газ должен сжиматься и расширяться, график данного процесса можно представить так:

Чтобы соблюдать цикл, отработанный газ надо охладить, затем нагреть и т.д.

Возможно ли это? Чтобы ответить на этот вопрос, в 1824 году французский инженер Сади Карно предлагает идеальную Т.М., у которой в качестве рабочего тела выступает идеальный газ, КПД такой машины рассчитывается по формуле:

КПД_max=((T₁-Т₂)/Т₁)*100% и если Т₂=0^оК, то КПД=100%=1. А это невозможно по двум причинам:

1.Т₂=0^оК – не получено
2. Для получения низких температур необходима холодильная установка

Поэтому проще не осуществлять замкнутый цикл, а просто отработанный газ выбросить в атмосферу (продукты сгорания, имеющие большую температуру и давление, способные за счет своей внутренней энергии, расширяясь, совершать работу, называются “Рабочим телом”). А это большой недостаток двигателей.

Слово учителя физики: Второй закон термодинамики, открытый Клаузисом, утверждает, что невозможно осуществить периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника (то есть невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в механическую, это обусловлено необратимостью тепловых процессов). Как же выйти из затруднительного положения, как защитить атмосферу от загрязнения? Обратимся к экологам.

Учитель химии: действие соединения свинца на живые организмы (опыты) слайды

ПРЕЗЕНТАЦИЯ №6

Эколог: Мы исследовали два вида топлива на содержания соединений свинца. Качественной реакцией на ионы свинца является реакция с ионами йода с образованием желтого осадка. Исследуем этилированный бензин и солярку. Проливаем йодид калия. Результат опыта показывает наличие ионов свинца в первом виде топлива.

А теперь понаблюдаем действий соединений свинца на белки. Приливаем соль свинца к белку, выпадает осадок. Идет процесс денатурации – разрушение структуры белковых молекул.

Человек состоит в основном из белка и разрушительное действие ионов свинца этим опытом наглядно показано. (ТАБЛИЦА, опыты, слайд 39)

Выбросы автотранспорта наносит большой вред окружающей среде окружающей среде. Кроме соединений свинца. Коварным является монооксид углерода (угарный газ). Отравление им происходит через дыхательные пути. В легких угарный газ соединяется с гемоглобином крови в 200 -300 раз быстрее, чем кислород. При сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания.

Большое количество выбрасываемого газа ведет к образованию парникового эффекта, так как он задерживает тепловое излучение.

Выбросы сернистого газа и оксидов азота способствует возникновению заболеваний дыхательных путей. Соединения азота неблагоприятно влияет на кровь и кровеносные сосуды.

Неорганические соединения свинца нарушают обмен веществ, у детей вызывает умственную отсталость, заболевания мозга.

Альтернативное топливо (слайд 40 и 41)

Возрастающий интерес к дизельному двигателю связан не только с проблемой удешевления эксплуатации автомобилей, но и в основном с тем, что использование дизельных двигателей уменьшает загрязнения окружающей среды.

В некоторых городах появились “Икарусы” с двумя баллонами. Они работают на особом виде горючего- смеси дизельного топлива и природного газа.

Природный газ дешевле бензина, лучше смешивается с воздухом, поэтому он полнее сгорает, а значит и вредных веществ в отработанных газах меньше.

В последнее время стали использовать в качестве топлива этиловый спирт (этанол), который при сгорании образует только углекислый газ и воду.

Наиболее экологически видом топлива является водород. Он не ядовит и при сгорании образует только воду, экологически чистое вещество.

При сгорании 1 моль водорода выделяется в три раза больше тепла, чем при сгорании такого же количества бензина.

Водород – топливо будущего.

Используя сельскохозяйственные отходы, канализационные и промышленные стоки, можно получить в виде метана (СН₄). При его сгорании получаются экологически чистые продукты - углекислый газ и вода.

Появились первые машины, энергию для движения которых дают фотоэлектрические элементы, преобразующие энергию Солнца.

Надеемся, что в скором будущем электромобиль станет главным видом городского транспорта.

Вывод:

По нашему мнению автомобиль в жизни и деятельности современной цивилизации просто необходим. Но всякие недоработки научно-технического прогресса необходимо устранять своевременно с той целью, чтобы сохранить в чистоте окружающую среду.

Учитель физики: Выслушаем мнение представителей ГИБДД.

ПРЕЗЕТАЦИЯ 7, слайд 42

Сотрудник ГИБДД: Снижению вредных выбросов автомобилей способствует:

1) Равномерное движение машин на улицах, ликвидация заторов, сокращение задержек транспорта на перекрестках. Большую роль в этом играет светофор. Благодаря светофору автомобили меньше простаивают на перекрестках, вхолостую расходуя горючее и загрязняя воздух отработанными газами.

2) Предельная скорость движения в городе установлена не 80 и не 50 а 60 км/ч, т.к. при этой скорости происходит минимум вредных выбросов.

3) Важен вывод из городской черты грузовых транзитных потоков, в нашей обл. это выполняется.

4) В некоторых городах России есть микрорайоны, куда въезд автотранспорта предельно ограничен и где люди ходят только пешком. Жаль, но в нашем городе таких микрорайонов нет.

5) Каждый водитель должен знать, что причины “дымления” автомобилей следующие: неисправность двигателя, неотлаженность систем питания и зажигания.

Если все автомобильные двигатели будут правильно отрегулированы, то выброс вредных веществ в атмосферу уменьшится в 5-6 раз. Нежелание лишний час покопаться в двигателе приводит к тому, что автомобиль неделями, а то и месяцами “ развозит” по улицам ядовитый чад.

Плохо накаченные шины не только быстрее изнашиваются, но и увеличивают сопротивление движению, а значит, сжигается больше горючего.

Неумелое поведение водителя за рулем: неправильный выбор скорости движения, резкие разгоны и торможения, превышения установленной скорости, увеличение частоты вращения на холостом ходу- все это приводит к загрязнению атмосферы. Значит, нужна разъяснительная работа среди водителей.

6) Для контроля за техническим состоянием автомобилей есть диагностические станции: “ВАЗ-сервис”, “ГАЗ-сервис” и др. Такие диагностические станции должны иметь транспортные предприятия, но в наше время это многим не по карману.

Вывод:

В наше время люди, принимающие ответственные технические решения, должны владеть основами естественных наук, быть экологически грамотными, осознавать свою ответственность за действия и понимать, какой вред они могут принести природе.

Считаем, что автомобиль необходим при грамотном их техническом применении

СЛАЙД № 43

Заключительное слово учителя: Наш семинар показал, что при развитии автотранспорта нужны знания как по физике, так и по химии. Базируясь на них, можно разработать мероприятия по снижению токсичности автотранспорта на региональном, государственном и международном уровнях. В частности, они нужны для выполнения стандартов Единой комиссии ООН по экологии автотранспорта, которые наша страна обязалась выполнять по Женевскому соглашению 1986 года. Прежде всего необходимо, чтобы каждый житель нашей планеты осознал, что экологическая угроза исходит не от человечества вообще, а от каждого конкретного человека, то есть от нас с вами. Необходимо экологическое просвещение всех слоев общества и создание природоохранного законодательства. Ключевым моментом в борьбе с ЭК является поиск грамотных и действенных научно-технических решений. Экология должна быть неотъемлемой частью подготовки любого специалиста в области техники, естественных наук, медицины, экономики и даже гуманитарных наук. Человек должен понять, что жизнь на Земле зависит от его отношения к природе, от гармонии между ними.

Когда огромный мир противоречий
Насытится бесплатною игрой, -
Как бы прообраз боли человечной
Из бездны вод встает передо мной.
И в этот час печальная природа
Лежит вокруг, вздыхая тяжело,
И не мила ей дикая свобода,
Где от добра неотделимо зло.

Н. Заболоцкий

Поэтому всем вам необходимо задуматься над вопросом: Автомобиль – это добро или зло?

Решение этой проблемы в первую очередь зависит от нас с вами. Об этом подумайте на досуге.

Закрепление материала: самостоятельная работа с тестами (компьютер) – 10 мин – оценивание домашнего задания.

Домашнее задание:

• физика – задачи введены в компьютер, по учебнику: §58, 59, вопр. к §
• химия – задачи введены в компьютер, по учебнику: § 10, вопросы к §

Спасибо за урок!

Приложение 1 здесь.
Приложение 2 здесь.
Приложение 3 здесь.