Поурочные разработки по Физике 8 класс к УМК А.В. Перышкина - 2017 год Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания - ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Поурочные разработки по Физике 8 класс к УМК А.В. Перышкина - 2017 год

Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания - ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ

Тип урока: урок открытия нового знания.

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развития критического мышления, развития исследовательских навыков, групповые.

Цели: познакомить учащихся тепловыми двигателями; рассказать о принципе работы двигателя внутреннего сгорания; показать практическое применение двигателя внутреннего сгорания.

Формируемые УУД: предметные: научиться применить закон сохранения и превращения энергии для объяснения работы тепловых двигателей; объяснять принцип работы двигателя внутреннего сгорания; использовать полученные знания в повседневной жизни; метапредметные: выражать с достаточной полнотой и точностью свои мысли, слушать и вступать в диалог, участвовать в коллективном обсуждении проблем; осознавать себя как движущую силу своего научения, свою способность к преодолению препятствий и самокоррекции; объяснять физические процессы, связи и отношения; личностные: формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки и общественной практики; развитие творческих и интеллектуальных способностей учащихся; формирование ценностных отношений к авторам открытий и изобретений.

Приборы и материалы: действующая модель двигателя внутреннего сгорания, пробирка с пробкой, спиртовка, вода, штатив с держателем, электронное приложение к учебнику.

Ход урока

I. Организационный этап

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие, учитель объявляет отметки за выполнение лабораторной работы.)

II. Проверка домашнего задания

(Три ученика записывают на доске решение домашних задач.)

III. Изучение нового материала

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов. Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Таким образом, машина — это устройство, которое служит для преобразования одного вида энергии в другой.

Демонстрация 1. Работа пара при расширении. Нагреем небольшое количество воды в закрытой пробкой пробирке над спиртовкой до температуры кипения. Через некоторое время пар, скопившийся под пробкой, вытолкнет ее наружу.

(При отсутствии оборудования учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 43 “Работа пара при расширении” из электронного приложения к учебнику.)

(После демонстрации опыта ученики самостоятельно отвечают на вопросы.)

— Почему пробка выскакивает из пробирки?

— Какие превращения энергии при этом происходят?

— Можно ли утверждать, что в этом опыте совершается механическая работа? Если да, то какое тело ее совершает и за счет чего?

Если в рассмотренном опыте заменить пробку и пробирку на плотно прилегающий поршень и цилиндр, внутри которого этот поршень может двигаться, и зациклить процесс, то получится простейший тепловой двигатель, изобретенный в конце XVII в. Джеймсом Уаттом.

Тепловые двигатели — машины, которые преобразуют внутреннюю энергию в механическую за счет энергии топлива. К ним относятся: паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания, дизель, паровая машина, реактивный двигатель. Разнообразие видов тепловых машин указывает лишь на различие в конструкции и принципах преобразования энергии. Общим для всех тепловых машин является то, что они изначально увеличивают свою внутреннюю энергию за счет сгорания топлива, а затем преобразуют ее в механическую работу. Очевидно, что никогда не может произойти эквивалентного преобразования внутренней энергии в работу: часть внутренней энергии уходит на нагревание деталей машин, на преодоление трения в узлах, на рассеивание в окружающую среду.

(Ученики вместе с учителем проверяют свои предположения и оформляют в тетради краткий конспект (что такое тепловые двигатели, их виды, в чем принцип их работы).)

— Познакомимся с одним из самых распространенных видов теплового двигателя — двигателем внутреннего сгорания.

В 1860 г. француз Этьен Ленуар построил устройство, в котором горючее сжигалось внутри самого устройства, а не снаружи, как это было у паровой машины. Спустя 18 лет немецкий изобретатель Август Отто создал двигатель внутреннего сгорания, который работал по четырехтактной схеме: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно модификации этого двигателя и получили наибольшее распространение. Бензиновый двигатель построил в 1886 г. немецкий инженер Готлиб Вильгельм Даймлер. Горючая смесь (смесь бензина и воздуха) образовывалась при помощи устройства, которое называлось карбюратором.

Демонстрация 2. Модель двигателя внутреннего сгорания.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 44 “Работа двигателя внутреннего сгорания” из электронного приложения к учебнику.)

Поршень выводится из двух крайних точек, которые называются “мертвыми точками”. Для этого предусмотрено массивное маховое колесо, которое насажено на вал двигателя. Важно понять назначение каждого такта в полном цикле работы.

Первый такт — впуск. Открывается впускной клапан, поршень движется вниз, рабочая смесь занимает весь объем цилиндра.

Второй такт — сжатие. Клапаны закрыты. Поршень движется, рабочая смесь сжимается, и при минимальной температуре рабочей смеси происходит воспламенение от искры.

Третий такт — рабочий ход. При сгорании рабочей смеси давление газов составляет 5—7 МПа, а температура — 1500—2200 °С. Поршень под действием газов движется вниз, температура газа уменьшается. Именно на этом этапе происходит преобразование части внутренней энергии в механическую. Это и называется рабочий ход.

Четвертый такт — выпуск. Поршень начинает двигаться вверх, открывается выпускной клапан, и отработанные газы выходят в окружающую среду.

За счет системы зажигания в четырехцилиндровом двигателе в каждом такте один из цилиндров реализует рабочий ход. Это позволяет коленчатому валу подводить энергию часто и равномерно. В современных машинах коленчатый вал может совершать от 3000 до 8000 оборотов в минуту.

Кроме двигателя внутреннего сгорания, который работает по четырехтактной схеме, существуют и двухтактные двигатели, но они не нашли широкого применения.

Немецкий инженер Рудольф Дизель в 1897 г. изобрел двигатель, в котором сжимали воздух, и в момент максимального сжатия в камеру сгорания при помощи форсунки делали впрыск топлива. Далее раскаленные газы перемещали поршень, и происходило преобразование внутренней энергии в механическую. Такой двигатель не имел карбюратора, был достаточно экономичным и надежным.

КПД дизельных двигателей достигает 35—44%, тогда как у двигателей внутреннего сгорания он не превышает 25—32%. Дизельные двигатели нашли широкое применение в тракторах, большегрузных машинах, на кораблях, передвижных электростанциях.

Если говорить о развитии автомобилей, то начиная с 1886 г., когда Даймлер создал первый автомобиль с бензиновым двигателем, более чем за столетний этап человечество успело многого достичь. Большая роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду, который в начале XX в. начал выпускать автомобили на конвейере.

В России первые автомобили начали строить в начале XX в. В настоящее время легковые автомобили выпускают в Тольятти, Набережных Челнах, Нижнем Новгороде, Ижевске и др.

Интересно, что первые автомобили развивали скорость не более 25 км/ч, в то время как современные автомобили могут развивать скорость до 200—350 км/ч, а отдельные спортивные модели с газотурбинными двигателями разгоняются до 900 км/ч. Рекорд скорости держится уже почти 20 лет, он принадлежит ракетному автомобилю “Thrust SSC”, который развил скорость 1227,986 км/ч.

IV. Подведение итогов

Подводя итог урока, следует отметить, что научно-технический прогресс неуклонно совершенствует конструкцию, технические характеристики автомобилей. Однако при использовании тепловых машин остро встает вопрос загрязнения окружающей среды. При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести углекислый газ, угарный газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов. Поэтому очень большое внимание следует уделять развитию методов защиты окружающей среды от этих продуктов сгорания и созданию новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной и электрической энергии, на энергии приливных волн и т. д. Именно это направление является наиболее перспективным.

Важным на современном этапе является создание новых экономичных и экологически чистых машин. Это машины нового века, новых технологий. Кроме того, такие виды топлива, как нефть, уголь, природный газ, являются невосполнимыми источниками энергии. В ближайшие 50—100 лет человечество столкнется с проблемой нехватки традиционных видов топлива.

С другой стороны, прогресс нашей цивилизации напрямую связан с применением различных видов тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы не применялись машины. С момента, когда Джеймс Уатт в 1768 г. построил первую паровую машину, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины очень сильно изменили содержание человеческого труда. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин. Уровень развития любой страны определяется тем, какое количество различных машин приходится на душу населения.

V. Рефлексия

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала, подчеркнув в анкете нужное слово.)

1. На уроке я работал (активно/пассивно).

2. Своей работой на уроке я (доволен /не доволен).

3. Урок мне показался (интересным/скучным).

4. За урок я (не устал/устал).

5. Мое настроение (улучшилось/ухудшилось/не изменилось).

6. Материала урока мне (полезен/бесполезен).

7. Домашнее задание мне кажется (легким/трудным).

Домашнее задание

1. § 21, 22 учебника, вопросы к параграфам.

2. Сборник задач В.И. Лукашика, Е.В. Ивановой: № 1126, 1130, 1131, 1133-1135.

3. Подготовить доклад (по желанию). Примерные темы докладов: “Изобретение автомобиля и паровоза”, “Развитие железнодорожного транспорта в России”, “Применение тепловых машин в промышленности”.