Тепловые двигатели. 8-й класс

Цель урока: изучение устройства, принципа действия и назначения тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:

• Образовательные:
  • выявить возможность превращения внутренней энергии в механическую в процессе решения поставленной ситуации;
  • дать определение теплового двигателя;
  • выяснить принцип действия теплового двигателя;
  • познакомиться с устройством теплового двигателя;
  • выяснить назначение теплового двигателя.
• Развивающие: 
  • развитие логического мышления;  умения анализировать, сравнивать, систематизировать информацию;
• Воспитательные:
  • способствовать формированию культуры умственного труда;
  • формировать ответственность в выполнении учебной задачи.

Предметные результаты: понимание физических основ  устройства и принципа действия теплового двигателя.

Метапредметные результаты: анализ учебного текстового материала; составление схемы теплового двигателя.

Личностные результаты: представление о роли теплового двигателя в жизни человека, понимание важности охраны окружающей среды.

Оборудование: компьютер,  интерактивная доска, мультимедийный проектор, Приложение 1 (презентация в программе Power Point), Приложение 2 (флеш-анимации в программе Smart notebook), модель теплового двигателя.

ХОД УРОКА

1. Организационный момент

2. Актуализация темы (постановка учебной проблемы).

Ситуация. Что произойдет, если нагревать пробирку с водой, плотно закрытую пробкой?
Учащиеся выдвигают гипотезы.

Эксперимент 1. Укрепляем  на подставке пробирку. Наливаем  в неё   воды и плотно заткнём  пробкой. Под пробиркой зажигаем горелку. Вода закипает и вышибает пробку. При горении выделяется теплота. Эта теплота израсходуется на повышение температуры воды в пробирке до температуры кипения воды и на её испарение. Пар давит на пробку, при этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию пробки. Делаем вывод; тепловая энергия превращается в механическую энергию (Приложение 1, слайд 1). Приведите примеры ситуаций, когда внутренняя энергия переходит в механическую и наоборот.

Учитель. На этом принципе основана работа оружия. Например, пушка Архимеда. А каким образом сконструировать машину, которая могла бы совершать полезную работу, например,  перевозить груз?
В ходе эвристической беседы приходим к выводу, что пробирку можно заменить цилиндром, а пробку – поршнем. Таким образом, мы приходим к понятию теплового двигателя. Вместе с учащимися формулируется цель урока – изучение машины, которая могла бы совершать полезную работу за счет внутренней энергии.

3. Изучение нового материала

Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Учитель. Что можно сказать о длительности процесса в рассмотренном примере? (кратковременный)
Что нужно сделать, чтобы движение продолжалось?  (повторять процесс перехода внутренней энергии в механическую энергию, т.е.  всю систему нужно перевести в исходное состояние).

Эксперимент 2. Демонстрируется опыт или отрывок учебного фильма (создан совместно с учащимися 8 класса). При нагревании колбы в горячей воде, воздух расширяется и выталкивает воду из U – образной трубки и поплавок поднимается. Если опустить колбу в холодную воду, то воздух снова сжимается. Процесс можно повторить. Сделаем вывод: для того, чтобы вернуть систему в исходное состояние, ее необходимо охлаждать, т.е. чтобы процесс мог повториться всю систему нужно перевести в исходное состояние Рассмотренный принцип используется в тепловых двигателях (слайд 2).

Учитель. Рассмотрим принцип работы теплового двигателя на модели двигателя внутреннего сгорания. Отмечаем, что в двигателе внутреннего сгорания топливо быстро сгорает непосредственно внутри цилиндра. При этом горячие газы производят большое давление как на стенки цилиндра, так и на подвижный поршень.

Учащиеся работают в тетрадях, изображают принцип работы теплового двигателя (слайд 3). Тепловой двигатель состоит из нагревателя (устройства, где сгорает топливо), рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты (Q1). Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу (Ап) за счет своей внутренней энергии. Часть энергии (Q2) передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
После этого с помощью интерактивной модели (Приложение 2) изучаем четыре такта ДВС (слайд 4). Подчеркивается роль рабочего хода и роль маховика в накоплении энергии для осуществления последующих ходов поршня.

1 такт – впуск. Поршень опускается вниз, при этом в камере создается  разреженное пространство, в это время открывается первый клапан и в цилиндр поступает горючая смесь.
2 такт – сжатие. Клапан закрывается. Поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта горючая смесь воспламеняется от электрической искры и сгорает.
3 такт – рабочий ход. Образующиеся при сгорании газы расширяются и толкают при этом поршень. Поршень совершает  работу.
4 такт – выпуск. Поршень по инерции поднимается вверх, открывается второй клапан, через который выходят отработанные газы.

В автомобилях используются 4-х цилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Цилиндры отрегулированы так, что в них поочередно происходит рабочий ход, и вал все время получает энергию от одного из поршней.
Учащиеся работают с учебником, знакомятся с устройством теплового двигателя: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана (впуск и выпуск), свеча. Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

Учитель. Тепловые двигатели имеют широкое применение. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. Они приводят в движение самолеты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. Рассматривается классификация тепловых двигателей (слайд 5). На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Учитель. Для описания тепловых процессов мы используем понятие «энергия». На данный момент, с физической точки зрения, почти все процессы изучены и поставлены на службу человеку. Сегодня мы говорим о  превращениях энергии.  Давайте повторим, какие превращения энергии мы сегодня уже рассматривали?  Как называются машины, предназначенные для этих превращений энергии? Известно, что никогда невозможно достичь условия полного превращения или преобразования одного вида энергии в другой. Почему? Какая физическая величина определяет долю пользы от затрат в любых процессах?
Вводится понятие КПД теплового двигателя (слайд 6):

Где А_п– полезная работа, Q₁ – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику.

Анализ формулы.

Сравните значения Q₁ и Q₂ ^. (Q₁ > Q₂),  

• Как определить  полезную работу? (А_п  =Q₁ – Q₂).
• Сравните значения (Q₁ – Q₂) и Q₁ ^. (Q₁ – Q₂ < Q₁).
• Что можно сказать о значении дроби (меньше 1) . Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.

Первые паровые машины имели КПД = 0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей (слайд 7-9).

4. Первичное закрепление нового материала

Решение качественных и расчетных задач (слайд 10).

• Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%)
• Какие устройства называют ТД ?
• Можно ли огнестрельное оружие отнести к ТД?
• Можно ли организм человека отнести к ТД ?
• КПД =45% ? Что это значит?
• Задача №1440 (Лукашик)

5. Первичная проверка знаний

Выполнение компьютерного теста. (Приложение 2)

6. Итог. Рефлексия

– Что изучали на уроке?
– Что вас удивило?
– Что больше всего понравилось?
– Какое открытие вы сегодня сделали?

Выставление оценок. Благодарность учащимся за работу.

7. Домашнее задание

§21-24.
Подготовить сообщения (Приложение 2) об истории создания ТД.
Экологические проблемы, связанные с применением тепловых двигателей.

Список использованной литературы:

1. Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2009.
2. Наглядная физика. Интерактивное учебное пособие. – М.: Экзамен-медиа, 2012.
3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений.– М.: Просвещение, 2009.