Планируемые образовательные результаты: Разработка занятия по физике, с использованием современных информационно-коммуникационных и педагогических технологий.
Целевая установка:
- Объяснение принципов действия тепловых машин.
- Изложение сути экологических проблем, обусловленных работой тепловых двигателей и предложение пути их решения.
- Формирование умения вести диалог, выслушивать мнение оппонента, участвовать в дискуссии, открыто выражать и отстаивать свою точку зрения.
Планируемые образовательные результаты:
| предметные | метапредметные |
личностные |
− сформированность представлений о роли и месте физики в современной научной картине мира; понимание роли физики в формировании кругозора и функциональной грамотности человека для решения практических задач; |
− использование различных видов познавательной деятельности для решения физических задач, применение основных методов познания (наблюдения, описания, измерения, эксперимента) для изучения различных сторон окружающей действительности; |
− чувство гордости и уважения к истории и достижениям отечественной физической науки; |
Решаемые учебные проблемы |
Основные понятия |
Виды тепловых двигателей; |
Тепловые двигатели; |
Демонстрации:
- выталкивание паром пробки из пробирки;
- демонстрации различных моделей тепловых двигателей.
Используемые на уроке оборудования и средства ТСО
| Оборудование | ТСО |
ИКТ |
Штатив, муфта, лапка, колба, пробка, спиртовка, модели тепловых двигателей |
Ноутбук, проектор, принтер |
Интернет, облачные технологии, презентации, видеофрагменты |
План занятия
| Этап урока | Приемы и методы |
Время |
Организационный этап |
Приветствие, заполнение журнала |
1 мин |
Мотивация к деятельности |
Постановка проблемной ситуации, формулировка темы урока, целей и задач |
4 мин |
Опрос пройденного/ домашнего задания |
Устный опрос, проверка домашней лабораторной работы |
5 мин |
Актуализация опорных знаний |
Рассказ преподавателя |
5 мин |
Формирование новых знаний |
|
14 мин |
Работа студентов по группам: |
16 мин |
|
Перерыв |
5 мин |
|
Рассказ преподавателя: |
15 мин |
|
Закрепление нового материала |
Работа студентов по группам. В работе используются элементы пресс-конференции. Решаются вопросы охраны окружающей среды. |
20 мин |
Задание на дом |
§ 26, 27 законспектировать |
3 мин |
Обобщение результатов работы студентов. Выставление оценок |
|
2 мин |
Рефлексия |
Что нового мы сегодня узнали? |
5 мин |
Организационная структура занятия с описанием используемых педагогических технологий
Конспект занятия
I. Организационный этап
Здравствуйте, студенты! Садитесь. Дежурный, кто сегодня отсутствует?
II. Мотивация к деятельности
Давайте посмотрим небольшой видеофрагмент… А теперь, подумаем, о чем мы сегодня будем говорить? Как вы думаете, машина какого из супергероев самая мощная? Про что еще будем беседовать?
Итак, тема занятия: «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды». А какие учебные проблемы решим?
- Рассмотреть виды тепловых двигателей,
- Определить их КПД,
- Рассмотреть некоторые вопросы охраны окружающей среды.
III. Опрос пройденного/домашнего задания
Проверим выполнение домашней лабораторной работы. Пока буду проверять ее, отвечаем на вопросы:
- назовите основные положения МКТ;
- отчего и как зависят силы межмолекулярного взаимодействия;
- назовите физические явления, подтверждающие основные положения МКТ;
- дайте определения этих явлений;
- назовите макроскопические параметры газа;
- назовите все изопроцессы;
- дайте им определения;
- сформулируйте уравнение состояния идеального газа;
- из чего складывается внутренняя энергия;
- сформулируйте первое начало термодинамики.
IV. Актуализация опорных знаний
Тепловые двигатели получили большую популярность в XIX веке. Как вы думаете, почему именно в это время? Чем характерен этот период времени? Для чего понадобились подобные машины?
V. Формирование новых знаний
Давайте посмотрим физический эксперимент. Будем греть спиртовкой пробирку, в которой находится жидкость. Что будет происходить в спиртовке? Рассмотрим на данном примере принципиальную схему тепловых двигателей.
Что такое тепловой двигатель? Давайте запишем определение… это устройство, преобразующее внутреннюю энергию газа в механическую работу. Рассмотрим из каких составных частей складывается тепловой двигатель. Прежде всего, нам необходимо тело, внутреннюю энергию которого мы хотим преобразовать в механическую работу. Это тело называется нагреватель (тело, с высокой температурой, по отношению к окружающей среде).
Поскольку тепловой двигатель должен совершать работу, в нем должно что-то расширяться и приводить в движение поршни, маховики и т.д. это тело называется рабочим телом.
И последнее, устройство для охлаждения отработанного пара или газа – холодильник. В большинстве эту роль играет атмосфера, т.е. в нее попадают продукты сгорания.
Как вычислить КПД? Что является затраченной энергией? Что полезной? Решим задачу 4.56 из задачника. (Студенты решают задачу совместно с учителем).
Итак, продолжим беседу. Работа выполняется при расширении, поэтому эффективное преобразование внутренней энергии в работу можно, если рабочее тело хорошо расширяется. У нас есть твердые тела, жидкости и газы. Какие из этих тел лучше всего расширяются? Верно, газы!
Теперь, берем нагреватель, передаем от него количество теплоты рабочему телу, оно должно совершить работу. Попробуем эту работу рассчитать. Для этого нам поможет первый закон термодинамики. Напомните мне его пожалуйста…
Нам нужно, чтобы полезной работы было много больше, нужен эффективный тепловой двигатель, поэтому было бы хорошо, если все количество теплоты превратить в работу. Для этого нужно, чтобы изменение внутренней энергии было равно нулю.
Рабочее тело – газ. Его внутренняя энергия зависит от температуры, значит если изменение внутренней энергии не меняется, то температура остается постоянной. А какой это процесс? Значит наш газ должен расширяться в изотермическом процессе.
Давайте построим график.
Но, такой процесс можно совершить один раз. А чтобы совершать многократно, его необходимо вернуть в исходное положение, а для этого необходимо совершить работу. И она будет равна этой же самой совершенной работе. Получается, выигрыша в работе нет.
Таким образом, мы не можем всю потраченную энергию передать полезной работе, мы отдаем часть энергии охладителю. Это закон природы! И называется он второй закон термодинамики. Запишем: в циклическом тепловом двигателе, невозможно всю энергию, полученную рабочим телом от нагревателя, преобразовать в механическую работу.
Но, были инженеры, которые предложили вот эту энергию потери, вновь вернуть к нагревателю. Но температура холодильника меньше температуры нагревателя (всегда!), а в природе не может такого быть, чтобы более холодное тело отдало свою энергию более нагретому. Это еще одна формулировка второго закона термодинамики.
Организация работ групп. Несколько занятий назад группа была поделена на 4 части, и для каждой подгруппы дано задание. Далее работу в подгруппе курирует капитан.
Поговорим о двигателе внутреннего сгорания.
В 1860 году Ленуар предложил сжигать топливо прямо в цилиндре паровой машины. КПД такого двигателя составил 3,3%.
В 1878 году Отто предложил четырехтактный карбюраторный ДВС (КПД=22%).
Современные ДВС мало чем отличаются от того, что предложил Отто.
Карбюратор – это устройство для приготовления рабочей смеси. Рабочая смесь – это пары бензина и воздуха. Рабочим телом является воздух, который нагревается за счет сжигания паров бензина. Но их нужно испарить в достаточном количестве и перемешать с воздухом. Это и делается с помощью карбюратора.
Давайте познакомимся с его конструкцией.
Представляет он из себя трубку переменного сечения, за счет чего воздух, поступающий в него из атмосферы, меняет свою скорость, и соответственно давление. За счет разности давлений бензин из бака поднимается вверх и разбрызгивается с помощью специального устройства: жиклёр.
Далее эти пары бензина попадают в двигатель.
Двигатель состоит из цилиндра с поршнем. Расширяющийся и нагретый воздух при сгорании бензина толкает поршень. Поршень будет двигаться вверх-вниз, а двигатель должен вращаться. Значит нам нужно устройство, которое преобразовывало бы возвратно-поступательные движения поршня во вращательные движения двигателя. Это осуществляется посредством кривошипно-шатунного механизма.
Внизу, под цилиндром находится маховик – массивное тело с большим моментом инерции. К маховику присоединён шатун. Он либо непосредственно присоединён к маховику, либо через кривошип.
Я описываю конструкцию с одним цилиндром, в современных двигателях их четыре, а то и больше.
Рассмотрим цилиндр. В верхней части цилиндра есть два патрубка. Один соединен с карбюратором, второй идет к выхлопной трубе. Патрубки отделены от цилиндра клапанами, которые открываются с помощью специального газораспределительного механизма.
Цилиндр закрыт крышкой, который называется головкой цилиндра. В этой крышке имеется отверстие с резьбой, куда ввинчивается свеча зажигания. Она представляет собой фарфоровый изолятор, внутри которого проходит металлический стержень.
А теперь, рассмотрим, как работает четырехтактный двигатель. Почему он так называется? Он так называется, потому что его цикл (а это циклическая тепловая машина) состоит из четырех тактов.
Сейчас рассмотрим все процессы, которые происходят на каждой стадии и занесем результаты в таблицу.
Для того чтобы рабочая смесь попала в цилиндр, ее нужно туда впустить. Куда должен двигаться поршень, чтобы туда вошла рабочая смесь из карбюратора? Вниз, верно! Увеличиваем объем, давление падает, под разницей давлений из карбюратора заходит рабочая смесь. При этом должен быть открыт впускной клапан, а выпускной закрыт. И этот первый такт называется впуск.
Следующий такт: поршень движется вверх, оба клапана закрыты, рабочая смесь сжимается. Так и называется этот такт сжатие. После того как поршень достиг самого верхнего положения, на свечу подается высокое напряжение, порядка 10000 В, проскакивает искра и смесь поджигается.
Свеча поджигает рабочую смесь, скорость горения около 40 м/с, при этом выделяется большая энергия и температура резко возрастает до С. Оба клапана остаются закрытыми, давление увеличивается до 35 ат.
Совершается полезная работа. Третий такт называется рабочий ход. Это самый главный такт. Именно в нем совершается полезная работа, в остальных маховик по инерции приводит в движение поршень. После того как рабочий ход окончен, необходимо освободить цилиндр от продуктов сгорания. Для этого открывается выпускной клапан (впускной остается закрытым). Когда он открывается, давление скачкообразно падает и воздух вырывается из выхлопной трубы. Давление падает от 6 ат до 1 ат. Температура падает от до Это были четыре такта. А мы с вами заполнили таблицу.
VI. Закрепление нового материала
Теперь давайте поработаем в группах. Вы делитесь на четыре команды: экологи, представители автопрома, врачи и журналисты. Каждая из команд должна представить свой проект. Он может быть представлен в виде рекламного постера, плаката или листовки.
Организует работу групп, объясняет, что необходимо выполнить, по ходу занятия подходит к отстающим студентам, курирует их работу.
VII. Задание на дом
§ 26, 27, решить задачу: № 4.57
VIII. Обобщение результатов работы студентов. Выставление оценок
IX. Рефлексия
- Что нового узнали сегодня на занятии?
- Что стало сложным в восприятии?
- Что понравилось больше всего?
Литература
- Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для студентов профессиональных образовательных организаций, осваивающих профессии и специальности СПО. — М., 2017.
- Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач: учеб. пособие для студентов профессиональных образовательных организаций, осваивающих профессии и специальности СПО. — М., 2017.
- Трофимова Т.И., Фирсов А.В. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей: Сборник задач: учеб. пособия для студентов профессиональных образовательных организаций, осваивающих профессии и специальности СПО. — М., 2017.
- Трофимова Т.И., Фирсов А.В. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей: Решения задач. — М., 2015.
- Трофимова Т.И., Фирсов А.В. Физика. Справочник. — М., 2010.