Пояснительная записка
За многолетнюю работу в школе я использовала разные формы проведения урока по данной теме. Меня заинтересовала возможность соединения знаний и умений учащихся, полученных ими в Центре дополнительного образования детей “Реальная школа” (ЦДОД), с показом результатов их работы в рамках урока с применением ИКТ. В основу урока было положено использование опережения знакомства с тепловыми двигателями при изучении разных специальностей в ЦДОД и предельная интенсификация организации познавательной деятельности уч-ся. Все учащиеся класса посещают ЦДОД, где обучаются по специальностям: информационные технологии, инженерное конструирование, автослесарь. И так как они знакомятся с некоторыми вопросами темы раньше, чем будет изучение в школе, то появилась возможность представления знаний, полученных вне урока, в виде презентаций. Эта работа способствовала формированию особых навыков: умения ставить и решать проблемы в контексте интеграции различных наук. Основные требования к презентации содержали вопросы по применению явлений, законов физики в природе и технике. Был объявлен конкурс презентационных работ учащихся, подведение итогов которого состоялось после серии уроков. Жюри в составе учителей физики и информатики, учащихся, членов родительского комитета, заместителя директора школы определили лучшие презентации, которые вошли в электронную копилку кабинета физики.
Цели урока:
1. Образовательные:
- обеспечить в ходе урока изучение устройства, принципа действия теплового двигателя;
- сформировать у учащихся понятия КПД теплового двигателя и рассмотреть пути его повышения;
- содействовать умению проводить сравнение КПД реального и идеального теплового двигателя;
- показать положительную и отрицательную роль тепловых двигателей в жизни человека.
2. Развивающие:
- продолжить развитие умения анализировать, выделять главное в изучаемом материале, сравнивать, систематизировать и делать выводы;
- продолжить формирование умения работать с дополнительной литературой, умения представлять информацию в виде презентаций, умения использовать содержание презентаций для изучения нового материала.
3. Воспитательные:
- продолжить формирование научного мировоззрения и показать, что в основе познания лежать факты, полученные из опыта, показать бесконечность процесса познания;
- при знакомстве с историей открытия тепловых двигателей обратить внимание на заслуги И.И. Ползунова по созданию работоспособного теплового двигателя.
Демонстрация:
- работа пара, действие модели теплового двигателя;
- действие бытового светильника;
- действие ДВС и паровой турбины;
- использование системного блока и мультимедийной установки для просмотра презентационных работ учащихся;
- стенные газеты: “Различные виды тепловых двигателей”, “Тепловые двигатели и охрана окружающей среды”.
Ход урока
На доску проецируется цели и план урока через мультимедийную установку. (Приложение.)
Учитель: Возникновение жизни ознаменовало начало особого этапа в развитии нашей планеты. Сейчас масса “человечества” составляет ничтожную долю общей массы живых существ на планете – около 0,0002%. Однако эта “крупица” способна радикально перестроить биосферу Земли. И вероятно, что уже сама планета Земля посылает сигналы SOS во Вселенную. Почему? У Земли много проблем, и одна из них – использование тепловых машин.
Наш урок будет посвящён тепловым двигателям. (Учитель формулирует цели и задачи урока).
С тепловыми двигателями мы познакомились ещё в 8-м классе. Вспомним опыт, демонстрирующий работу пара. (Ученик демонстрирует опыт и комментирует его).
Ученик: В пробирку нальём немного воды, закроем пробкой и будем нагревать воду в пробирке. Внутренняя энергия воды увеличивается, вода интенсивно испаряется, увеличивается внутренняя энергия пара, давление пара увеличивается, и пробка с шумом вылетает из пробирки. Паром совершается работа за счёт внутренний энергии воды.
Учитель: Вероятно, с этого опыта началась служба пара человечеству. Подобное превращение энергии топлива в механическую энергию происходит в тепловых двигателях: если вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки поршень, то пар совершит работу по подъему поршня.
Давайте сформулируем понятие тепловых двигателей. (Учащиеся дают ответ и записывают в тетрадь первый вопрос плана).
Учитель: А затем началась эпоха изобретения и усовершенствования тепловых машин. Лучшая презентация по теме “История изобретения тепловых двигателей” у А. Гребенкиной. Предоставляем ей слово.
(Ученики записывают второй вопрос плана и делают краткие записи во время выступления ученицы).
Учитель: Почти через 100 лет после изобретения Д.Уатта и И.Ползунова французский инженер Ленуар сконструировал двухтактный двигатель, а в 1876 г. немецкий изобретатель Отто построил четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. Что же общего во всех тепловых машинах? Какие основные части они должны иметь? В этом нам поможет разобраться следующий эксперимент с использованием двух установок. Первая установка – U-образная стеклянная трубка, до половины заполненная водой, одно колено трубки соединено резиновой трубкой с теплоприёмником, во второе колено помещён поплавок с флажком. Вторая установка - бытовой светильник.
Учитель: Что общего в устройстве и принципе действия этих установок? (Учитель демонстрирует модель теплового двигателя, попеременно опуская теплоприёмник в горячую и холодную воду, поплавок при этом поднимается и опускается)
Учитель: Какие основные части теплового двигателя можно выделить на этой модели? Объяснить принцип её действия.
Ученик: При опускании теплоприёмника в горячую воду воздух в теплоприёмнике нагревается, расширяется, давление воздуха на воду в этом колене увеличивается и уровень воды опускается. Во втором колене уровень воды повышается, поднимая поплавок. При охлаждении теплоприёмника в холодной воде давление воздуха в нем уменьшается и уровень воды в колене с поплавком понижается. Цикл повторяется многократно. Основные части этой установки: горячая вода, воздух, холодная вода. (Учитель в это время ставит таблички с надписью: нагреватель, холодильник, рабочее тело).
Ученик: Основные части теплового двигателя: нагреватель – горячая вода, холодильник – холодная вода, рабочее тело – воздух.
Учитель: Обобщая опыт, можно сделать следующий вывод. От горячей воды воздух получает количество теплоты Q1, расширяясь при нагревании, совершает положительную работу, затем отдаёт некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, при этом система возвращается в исходное состояние. Если с поплавком связать какой-либо передаточный механизм, то такая модель могла бы совершить работу, например, по поднятию груза.
Рассмотрим работу светильника. (В светильнике с подсветкой опускаются и поднимаются парафиновые шарики в жидкости). Объяснить принцип действия и назвать основные части этой установки.
Ученик: В этой установке, как и в тепловых двигателях, есть нагреватель, отдающий энергию нижнему слою воды, в котором лежит парафин. За счёт части этой энергии нагретая вода, поднимаясь вверх, совершает работу по преодолению силы тяжести и трения и поднимает парафиновые шарики. Верхние слои воды холодные, поэтому шарики охлаждаются и вместе с холодными слоями воды они опускаются на дно. В этом случае тоже можно выделить три части: нагреватель, рабочее тело – вода, холодильник – холодная вода, окружающая среда.
Учитель: Почему в тепловых двигателях используют пар (газ), а не жидкость?
Ученик: Жидкость трудно изменяет объем, пар и газ легко изменяют объем.
Учитель: Обобщая эксперименты, можно выделить основные части и общие принципы работы любых тепловых двигателей. Лучшая презентация по теме “Общие принципы работы тепловых двигателей” у В. Михалёва. (Учитель просит учащихся записать четвёртый вопрос плана и делать краткие записи по ходу презентации).
(Ученик демонстрирует презентацию и комментирует слайды, см. Приложение).
Основные части любого теплового двигателя.
1. Нагреватель сообщает энергию рабочему телу. Он имеет температуру на сотни или тысячи градусов больше температуры окружающей среды. В паровых машинах, паровых турбинах в роли нагревателя выступает паровой котел. В ДВС и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.
2. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ или пар, который совершает работу при расширении.
3. Холодильник возвращает систему в исходное состояние: по мере совершения работы газ или пар теряет энергию и неизбежно охлаждается, до некоторой температуры Т2 –температуры холодильника. Холодильником обычно является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы. Тогда температура холодильника может быть ниже температуры атмосферы.
Принцип действия рассмотрим на принципиальной схеме тепловых двигателей. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А и передаёт холодильнику количество теплоты Q2 меньше Q1. Количество теплоты Q1, получаемое от нагревателя, положительно. Количество теплоты Q2, отдаваемое холодильнику, отрицательно. Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым. Замкнутый цикл представляет собой совоокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние. Работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов расширения и сжатия газов. Сжатие не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием внешней силы, например, за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа А = Арасширения – Асжатие. Так как изменение объёма при расширении и сжатии должно быть одинаковым, то давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. Таким образом, перед сжатием газ должен быть охлажден, т. е. приведен в контакт с холодильной машиной.
Эффективность работы теплового двигателя характеризует величина КПД. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А, совершаемой двигателем, к количеству теплоты Q1,, полученному от нагревателя
(Учитель обращает внимание учеников на запись в тетради формулы КПД и предлагает решить устно задачи к §59 (№2,4) по учебнику Касьянова В.А. 10-й класс, профиль).
Учитель: Может ли КПД быть 100%?
Ученик: Нет, так как 
Без холодильника круговой цикл
не реализуется.
Учитель: Рассмотрим замкнутый процесс для максимального КПД. Это так называемый цикл Карно. Лучшая презентация по теме “Работа Сади Карно” у Э.Киселева. (Ученики записывают 5-й пункт плана и во время демонстрации презентации делают рисунки и записи. Учитель предлагает решение задачи №3 к в §59. После решения анализируется таблица КПД тепловых двигателей в §59).
Учитель: Когда КПД идеального теплового двигателя равен 100%?
Ученик: Если Т2 = 0 К.
Учитель: Практически сделать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю, нельзя. Для паровой машины Т2. ограничено той температурой, при которой при данном давлении происходит конденсация пара. Верхний предел определяется техническими возможностями материала котла, т.к. с увеличением температуры растёт давление пара. В ДВС верхний предел определяется температурой сгорания топлива, нижний – температурой выхлопных газов. Реальный КПД меньше теоретического. Увеличение КПД – важнейшее народнохозяйственная задача. Какие пути повышения КПД возможны?
Ученик: Более полное сгорание топлива, а также использование энергии отработанного пара или газа приводит к повышению КПД.
Учитель: Группа учеников, которые занимаются в Центре Дополнительного Образования Детей (ЦДОД) по специальности “инженерное конструирование”, работали над этим вопросом. (Четыре ученика по своим чертежам основных деталей ДВС: клапана, поршня, шатуна, шестерни, - рассказали об их назначении, показали настоящие детали и эти детали на модели ДВС, пояснили, как можно, совершенствуя конструктивные элементы, увеличить КПД).
Учитель: Обобщение по вопросам основного устройства и принципа действия ДВС проведет ученик Д.Черных, занимающийся в ЦДОД по специальности “автослесарь”. (Ученик проводит обобщение, комментируя слайды презентации, см. Приложение).
Учитель: Тепловые двигатели играют огромную положительную роль в нашей жизни. (Выступления уч-ся о положительной функции тепловых двигателей. Используя материал стенных газет, ученики рассказали о применение различных тепловых двигателей).
Учитель: Вернемся к проблеме, обозначенной в начале урока. Почему Земля посылает SOS во Вселенную, когда такая положительная роль у тепловых двигателей. С чем это связано?
(Ученики рассказывают об отрицательной роли тепловых двигателей и охране окружающей среды от их вредного воздействия. Группа уч-ся разработала листовки, которые содержали призывы обратить внимание на экологические проблемы и способы ликвидации вредных воздействий тепловых двигателей на окружающую среду).
(Учитель подводит итоги, объявляет оценки, еще раз отмечая победителей конкурса презентационных работ, дает задание на дом: §59, конспект урока, задача №5)