Цели урока:
- ознакомить студентов с устройством и принципом действия тепловых двигателей, показать взаимосвязь развития физики и техники на примере тепловых двигателей, раскрыть роль и значение тепловых двигателей в современной цивилизации.
- развивать личностные познавательные склонности студентов в процессе обучения, интереса к физике, желания постоянно пополнять свои технические знания.
Комплексное методическое обеспечение: учебник физики 10кл., раздаточный материал, дополнительная литература, приборы для демонстрации опыта, сборник демонстрационных опытов для СОШ "Основы термодинамики" фрагмент 10 "Модель двигателя внутреннего сгорания"
Тип урока: комбинированный
План урока
Этапы урока, время
1 .Орг. момент 5 мин.
2. Актуализация знаний 10 мин.
3. Фронтальное повторение,
- Постановка учебной проблемы
- Диалог
3. Изучение нового материала 30 мин.
- Работа с учебником, дополнительной литературой, записи в тетради, беседа.
4. Совершенствование знаний 40 мин.
- Решение задач, обсуждение опыта, докладов.
5. Домашнее задание 5 мин.
- запись на доске.
1. Организационный момент
2. Вопросы к студентам:
- Как определить изменение внутренней энергии согласно 1 закону термодинамики
- На что расходуется количество теплоты
- Назвать адиабатный процесс
- Какова единица измерения работы, количества теплоты, энергии.
- Что такое абсолютная температура и как она связана с температурой по шкале Цельсия.
3. а) Вступительное слово преподавателя:
Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными, но располагать запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства способные совершать работу. Развитие энергетики является одной из предпосылок научно-технического прогресса. Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и усовершенствованием теплового двигателя. Большая часть двигателей на планете - это ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ, ТО ЕСТЬ УСТРОЙСТВА, КОТОРЫЕ ПРЕВРАЩАЮТ ВНУТРЕННЮЮ ЭНЕРГИЮ ТОПЛИВА В МЕХАНИЧЕСКУЮ.
Для чего важно изучить работу тепловых двигателей (ТД) ? Наша цивилизация машинная, причем большая часть машин - это тепловые машины разных видов. Но принцип работы один, и основывается на законах термодинамики. Без ТД жизнь общества резко бы затормозилась, и приняла другие формы:. Не было бы электричества, машин, самолетов.
Поэтому ТД - это великое достижение человечества, его культуры, научной мысли людей Земли.
б). ПРОВЕДЕМ ОПЫТ:
На плитку поставлен высокий химический стакан с водой внутри воды находится перевернутая пробирка, частично заполненная водой. Как будет вести себя пробирка?
По мере нагревания жидкости прогревается воздух в пробирке, он расширяется и вытесняет часть воды из пробирки. В результате этого уменьшается сила тяжести системы, состоящей из пробирки и воды в ней, как только сила тяжести станет меньше выталкивающей силы, произойдет всплытие, после соприкосновения пробирки с наружным воздухом она немного остынет, воздух сожмется, и вода зайдет в пробирку, пробирка опустится на дно, и все это неоднократно повторится
в). Получили тепловую машину . На этом примере можно проследить общие принципы всех тепловых двигателей.
- Схема ТД по учебнику с. 235 (приложение 1)
Г).Зарисовать, прочитать и записать: что является рабочим телом, нагревателем, холодильником.
д).Пример:
ХОЛОДИЛЬНИК бытовой: рабочее тело - газ фреон, аммиак, нагреватель - продукты в камере.
- Можно ли в этом случае утверждать, что нагреватель "не нагревает", а холодильник такую тепловую машину "не охлаждает" ?
Нагреватель нагревает рабочее тело, а сам охлаждается, и, таким образом, полость нагревателя охлаждается.
е). кинофрагмент "Модель двигателя внутреннего сгорания" сборник демонстрационных опытов для СОШ, "Основы термодинамики" фрагмент 10
Так как у всех двигателей некоторое количество
теплоты передается холодильнику, то кпд меньше
единицы. (
< 1 )
Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно.
Т1 -температура нагревателя, Т2 - температура холодильника
КПД не зависит от теплоты, давления, объема топлива и является функцией только двух температур, по учебнику
З). Далее проследим историю создания (изобретения) двигателей , используя таблицу "Из истории тепловых двигателей" (приложение 2)
- Заслушаем сообщения студентов по темам:
Эолепил Герона
Прообразом теплового двигателя считается, так называемый, эолипил, созданный в I в. до н.э. Героном Александрийским, выдающимся ученым и изобретателем того времени. Эолипил предназначался для развлечения и являлся игрушкой.
Устройство представляло собой полый шар. В вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками, а под ним был установлен сосуд, частично заполненной водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара по паропроводам и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара.
И.И. Ползунов
Иван Иванович Ползунов родился в 1728 году. В 1742 году - окончил первую русскую горнозаводскую школу в Екатеринбурге и стал учеником у главного механика уральских заводов. Когда Ползунову было 20 лет, его вместе с другими специалистами отправили на заводы Алтая. Там добывались драгоценные металлы для царской казны. С 1748 года Иван Иванович работал в Барнауле техником по учету выплавки металла, а в 33 года он стал одним из руководителей завода. Из оборудования на заводе были только воздуходувные мехи и молоты для ковки металла. И их приводили в движение силой воды. Поэтому заводы строили на берегах рек. Если река становилась более мелководной, то производство останавливалось. Ползунов решил заменить водяной двигатель и ручной труд на "огненную машину". Для этого он разработал чертежи двухцилиндровой паровой машины . Для ее изготовления пришлось сделать различные инструменты , один из них токарный станок для обработки металла "на водяном ходу". При этом Ползунову удалось изготовить все детали паровой машины всего за 13 месяцев. Некоторые детали весили до 2720кг. В 1765 году Ползунов разработал специальный поплавковый регулятор уровня в котле. К сожалению, увидеть машину в работе Ползунову е удалось, он умер за два месяца до пуска машины в эксплуатацию, 27 мая 1766года. Его паровая машина окупила себя всего за два месяца. К сожалению , после небольшой поломки хозяева машины не смогли ее починить.
Д. Уатт
Шотландский инженер Джеймс Уатт в 1769 году изобрел двигатель в котором пар направлялся в отдельную камеру для конденсации. Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение . Благодаря этому и другим усовершенствованиям, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения. К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в "паровых" прачечных . Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.
Применение тепловых двигателей.
наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых станциях. Тепловые двигатели устанавливают также на АЭС. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров(дизели) . На железнодорожном транспорте до середины 20 века основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте используют как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов. В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима.
Защита окружающей среды.
В цилиндрах двигателя проходит окисление мелкораспыленного и испаренного топлива кислородом воздуха с образованием тепла, углекислого газа и воды. За тысячные доли секунды, отводимые на этот процесс, при каждом такте работы двигателя, часть топлива не успевает сгореть. Продукты его неполного сгорания выбрасываются в атмосферу из выхлопной трубы. Дизели выбрасывают еще и сернистый ангидрит, образующийся при горении топлива в цилиндрах. В США, Японии, России были установлены предельно допустимые нормы выброса для различных категорий автомобилей. Из-за загрязнения изменяется климат. Ученые доказали, что изменение климата в 20 веке является следствием повышения среднеглобальной приземной температуры воздуха на 0,5С. В атмосфере возросла концентрация парниковых газов, углекислоты, метана, хлорфторуглерода, оксида азота. Молекулы этих газов поглощают тепловое излучение поверхности земли и частично направляют его обратно, создавая так называемый парниковый эффект. Из-за изменения климата исчезают и отдельные виды животных и птиц. Например, это случилось с реликтовой чайкой. Уже так много видов животных занесено в Красную книгу! Сейчас создаются различные движения. ГРИНПИС - это экологическое движение созданное в 1971году. Его задача - охрана окружающей среды. Штаб-квартира находится в Америке. ГРИНПИС не получает абсолютно никакого финансирования, а его огромный ежегодный бюджет складывается из частных пожертвований и взносов.
СИГАРЕТЫ И ВЫХЛОПНЫЕ ГАЗЫ НЕИСПРАВНОГО АВТО
Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт своими выхлопными газами. При сжигании жидких видов топлива с выхлопными газами в атмосферный воздух попадает и угарный газ.
Угарный газ опасен для жизни: проходя через легкие, он всасывается в кровь, затем вступает в реакцию с гемоглобином - пигментом красных кровяных телец, который снабжает организм кислородом. Как только угарный газ соединяется с гемоглобином, кровяные клетки не способны выполнить свои функции по транспортировке по организму кислорода. Наступает кислородное голодание и кислородная недостаточность. При больших поступлениях в организм угарного газа человек умирает. В состав табачного дыма тоже входит угарный газ. Выкуривание только одной сигареты по действию на организм приблизительно равно нахождению вблизи крупной автомагистрали на протяжении 16 часов. Пребывание некурящего на протяжении 1 часа в закрытом накуренном помещении равносильно тому, что он выкурил 4 сигареты. Систематическое курение вызывают сужение капилляров сосудов, в том числе в сердце; последнее нарушает нормальное питание сердечной мышцы, а это в свою очередь способствует развитию ишемической болезни. Что это за заболевание, помогает понять словарь: "ишемия" - греческое слово, означает "задерживающий кровь"; курение отнимает 8-10 лет жизни.
4. а). ЗАГАДКИ:
- Он гудит и чертит мелом, он рисует белым-белым. Смело в небе проплывает, человек им управляет, обгоняет птиц полет. Что такое? (самолет)
- Крыльев нет, но это птица, пролетит и прилунится. Чудо-птица, алый хвост, пролетела в стаю звезд, хороша, как чудо света что ж летит, ответь? (ракета)
- Едет конь стальной, рычит, сзади плуг он волочит, который роет и копает и землю разрыхляет. Все рычит, рычит мотор ну конечно. Это: (трактор)
- Несется и стреляет, ворчит скороговоркой, трамваю не угнаться за этой тараторкой. В четыре такта его цикл, это быстрый : (мотоцикл)
- Ползет черепаха, стальная рубаха. Враг и овраг, и она туда, где враг. Испугались очень янки. Ах! И чудо наши:(танки)
- Ест он уголь, пьет и воду , а напьется, даст он ходу. Что ни говори, силен, хоть дымит порою он. Везет обоз на сто колес, это сильный: (паровоз)
- Он гудит, скажу я, важно, по воде плывет отважно и красив, скажу я вам коль бежит он по волнам. Где сбавляя быстрый ход , что такое?..(пароход)
- Чтобы он тебя повез, ему не нужен овес, накорми его бензином, на копыта дай резину, и тогда поднявши пыль, побежит:(автомобиль)
б). КРОССВОРД (приложение 3)
в). ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ:
Оцените, какую автомашину - ЗИЛ мощностью 110кВт или ГАЗ-51А мощностью 51кВт и при каких условиях экономичнее использовать для перевозки груза.
Докажите, что мышца человека не может работать по принципу теплового двигателя (КПД процесса сокращения мышцы 30%) (вычислить температуру нагревателя)
Оцените мощность спички, ее КПД при различном использовании.(мощность определяется через количество теплоты сгорания и время горения. КПД оценивается, сравнивая время сгорания и время полезного использования)
5. Подведение итогов урока, выставление оценок, домашнее задание.
ЛИТЕРАТУРА.
- Волков В.А. Универсальные поурочные разработки по физике, 10клас, Москва , "Вако", 2006г
- Большая энциклопедия ЭРУДИТА, Москва. "Махаон", 2004г
- Сауров Ю.А. физика в 10 классе6 Модели уроков: Кн. Для учителя/ Ю.А. Сауров.- М.: Просвещение, 2005. - 256с.: ил.
- Г.Я. Мякишев и др. Физика, 11 класс учебник для общеобразовательных учреждений., Москва "Просвещение".2008г.