Разработка урока по физике "Принцип действия тепловых двигателей. КПД. Охрана окружающей среды"

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

Луганской Народной Республики

«Лисичанская средняя школа №4»

Урок физики, проведённый в 8 классе

На тему :

Принцип действия тепловых двигателей. КПД.

Охрана окружающей среды

Подготовил:

учитель физики

Очиченко Константин Романович

Лисичанск, 2024

Тема: Принцип действия тепловых двигателей. КПД.

Охрана окружающей среды

Тип урока: Изучение нового материала.

Цели урока:

• объяснить принцип действия тепловых двигателей, определить КПД тепловых двигателей:

• показать значение тепловых двигателей в жизни человека;

• проанализировать, в чем заключается вредное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и здоровье человека;

• выяснить пути охраны окружающей среды;

• содействовать формированию навыков сравнения, выделения главного и второстепенного в изучаемом материале, обобщения, логического мышления.

• поддерживать интерес к предмету, желание учиться.

Оборудование:

• Модель двигателя внутреннего сгорания.

• Модель ветровой турбины.

• Штатив, пробирка с пробкой, спиртовка.

• Выставка рефератов.

• Компьютер, мультимедийный проектор.

Предварительная подготовка:

• Сообщения учащихся по темам: «Паровая машина», «Паровая и газовая турбина», «Дизельный двигатель», «Реактивный двигатель», «Влияние тепловых двигателей на экологию», «Пути решения проблем, связанных с использованием тепловых двигателей».

• Демонстрационный материал – схемы «Принцип действия тепловых двигателей. КПД.»

• Раздаточный материал - таблица «Тепловые двигатели».

План урока

Организационный момент.

1. Постановка проблемы: проведение опыта, обсуждение.

2. Объяснение нового материала:

1. историческая справка;

2. основные виды тепловых двигателей;

3. КПД тепловой машины.

1. Виды тепловых двигателей. Сообщения учащихся и их обсуждение:

1. «Паровая машина»;

2. «Паровая турбина»;

3. «Газовая турбина»;

4. «Двигатель внутреннего сгорания (бензиновый)»;

5. «Дизельный двигатель».

5. Физкультминутка.

6. Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

7. Пути решения проблем, связанных с использованием тепловых двигателей.

8. Закрепление.

9. Решение задачи.

10. Итоги урока.

11. Объяснение домашнего задания.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Проверка знаний учащихся.

3.Постановка проблемы.

Я еще не устал удивляться

Чудесам, что есть на земле, -

Самосвалу, свистку паровоза,

Автомобилю во дворе.

Самолеты летят сквозь тучи,

Ходят по морю корабли, -

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди смогли. (В. Шефнер)

Проведение демонстрационного опыта.

Учитель проводит демонстрационный эксперимент –пробирка с водным раствором и закрытой пробкой нагревается с помощью спиртовки, в результате чего обучающиеся наблюдают, что пробка вылетает. Над потоком вырывающегося пара учитель подносит «вертушку», которая также приходит в движение.

- Пока жидкость нагревается, предположите, что мы увидим?

- За счет чего образовался пар?

- Почему выскочила пробка?

- Что происходит с внутренней энергией пара, согласно закону сохранения энергии?

- Какие превращения энергии мы наблюдали?

- А может ли пар приводит в движение различные механизмы?

- Как вы думаете, где данное явление используется в технике?

Жизнь людей невозможна без использования различных видов тепловых двигателей. Двигатели составляют основу современной цивилизации. Без них мы не имели бы электроэнергии, не могли бы быстро перемещаться из одного места в другое, это различные виды транспорта. Транспорт обязательное звено между заводами - изготовителями и потребителем. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов. Поэтому существуют различные типы устройств, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, генераторы – механическую в электрическую и так далее.

4. Сообщение темы и задач урока.

- Тема сегодняшнего урока «Тепловые двигатели» (учащиеся записывают тему в тетради). Но перед изучением нового материала я хочу познакомить вас кратко с историей тепловых машин.

Рисунок 1.

Эолипил

Э олипил («шар Эола»). Герон Александрийский. I в. до н.э. Это металлический шар, вращающийся под давлением пара. Считается, что именно этому древнему ученому принадлежит идея использования силы пара для превращения ее в энергию движения.

Рисунок 2.

Турбина Бранка

П аровая турбина Джиованни Бранка. 1629 г. Она должна была приводить в движение пестики для размельчения угля и серы на пороховых заводах. Однако мощность ее оказалась слишком мала, поэтому сведений о реальном существовании такого механизма не найдено.

Рисунок 3.

Паровой котел Д.Папена

« Папенов котел». Дени Папен. 1680 г. Пар от закипавшей в котле воды должен был толкать вверх размещавшийся внутри того же самого котла поршень, к которому через выведенный наружу шток могли присоединяться различные механизмы. Это могли быть насосы, откачивавшие воду из глубоких шахт либо вздымавшие над землей фонтаны. Это был один из первых «настоящих» паровых котлов.

Рисунок 3. Паровой

насос Т. Севери

« Друг рудокопов». Томас Севери. 1698 г. «Машина для подъема воды с помощью движущей силы огня» была паровым насосом, применяемым для откачки воды из шахт, для водоснабжения городов и крупных зданий, для осушения болот и лугов.

Рисунок 4. Паровой

двигатель Ньюкомена

Атмосферный двигатель. Пол Ньюкомен.1712 г. Это пароатмосферная машина, в которой работа происходит за счет атмосферного давления, а не за счет давления пара. Использовалась для откачки воды в шахтах. Несмотря на то, что была высотой с четырех-пятиэтажный дом и потребляла очень много угля, она стала первым паровым двигателем, получившим широкое практическое применение, с которым принято связывать начало промышленной революции в Англии.

« Огненная машина» Ивана Ползунова. 1763 г. Это первая в России двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия. Построена для приведения в действие воздуходувных мехов плавильных печей на Барнаульских Колывано-Воскресенских заводах.

Рисунок 6. Паровая

машина Уатта

Рисунок 5. Паровая

машина И.И.Ползунова

У ниверсальная паровая машина. Джеймс Уатт. 1768 г. Именно ему паровая машина в ее теперешнем виде обязана своим появлением на свет и введением в практику обыденной жизни.

Рисунок 7. Паровая

телега Кюньо

П аровая телега. Николя Йозеф Кюньо. 1769 г. Первое действующее самоходное паровое транспортное средство в истории человечества – прародитель автомобиля.

Рисунок 8. Пароход

Пароход. Роберт Фултон. 1807 г. У парохода Роберта Фултона были и предшественники, но именно он начал новую эру в истории судоходства, когда стал совершать регулярные рейсы и перевозить пассажиров от Нью-Йорка до Олбани и обратно со скоростью 5 узлов.

Рисунок 9. Корнуэльские

двигатели

К орнуэльские двигатели. Ричард Тревитик. 1811 г. В промышленных однотактных двигателях Тревитика с целью повышения эффективности был впервые применен пар высокого давления. Именно они положили начало проникновению пара в сельское хозяйство и транспорт. Р.Тревитик является также создателем первого в мире паровоза.

Паровоз. Джордж Стефенсон. 1814г. Больших успехов в создании практически применимых паровозов достиг английский изобретатель Джордж Стефенсон. Его первый паровоз «Блюхер» предназначался для буксировки вагонеток с углём по рудничной рельсовой дороге и мог вестисостав общим весом до 30 тонн.

Рисунок 10. Паровоз

5.Объяснение нового материала учителем.

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.

_- Тепловыми двигателями называют машины, в которых энергия топлива превращается в механическую энергию.

- Можно выделить несколько основных видов тепловых двигателей. Рассмотрим, какие виды тепловых двигателей существуют. Откройте учебник и из изучаемого параграфа выпишите, какие виды тепловых двигателей существуют.

(Самостоятельно изучив информацию в учебнике, обучающиеся выписывают виды тепловых двигателей )

- Рассмотрим таблицу. К двигателям внешнего сгорания относятся паровая машина, паровая и газовая турбины, к двигателям внутреннего сгорания – бензиновый и дизельный. Существуют также реактивные и ракетные двигатели.

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, с последующим преобразованием внутренней энергии в механическую: тела, расширяясь при нагревании, совершают работу. Так как газы и пары расширяются наиболее сильно, они используются в качестве рабочего тела.

Согласно закону сохранения энергии

ΔU =Q +A

Любой газ, который расширяется, совершает положительную работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

-ΔU =A', где А' - работа газа, -ΔU - уменьшение внутренней энергии.

КПД тепловой машины

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. Первая паровая машина преобразовывала менее 1% от всей энергии в полезную работу.

-Чем же будут отличаться эти двигатели между собой в работе?

- Какой лучше или более экономичен?

- Какой величиной можно охарактеризовать экономичность

различных двигателей?

- Как её определить?

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Для характеристики экономичности различных устройств введено понятие коэффициента полезного действия.

Сейчас самостоятельно выпишите в тетради ответы на вопросы, данные в карточках.

№

Вопрос

Предполагаемый ответ

1

Что называется коэффициентом полезного действия?

Это физическая величина, равная отношению полезной работы к затраченной: КПД=А_п /А_з

2

Что нам известно об этой величине?

Эта величина выражается в процентах. Ее значение ни при каких условиях не может быть больше 100%

3

Что в тепловых машинах совершает полезную работу?

Полезную работу совершает рабочее тело – газ или пар:

4

Какая энергия тратится в тепловых двигателях?

Энергия, которую газ получает от нагревателя (сгорающего топлива): Q

Под коэффициентом полезного действия (КПД) машины понимают отношение совершенной полезной работы двигателя к той энергии, которая выделилась при полном сгорании топлива. КПД машины обозначается буквой η («эта»).

A - работа газа,

Q – количество теплоты, полученное от нагревателя (при сгорании топлива).

Так как А' , для всех машин η

Если проследить историю развития тепловых машин, то следует заметить, что постоянное усовершенствование машин в конструкции, в создании новых видов топлива привело к тому, что современные машины имеют достаточно высокие значения КПД по сравнению с первоначальными моделями.

Для современных паровых турбин КПД достигает 30%, для двигателей внутреннего сгорания 30-35%, для дизельных двигателей 35-42%.

- А теперь давайте познакомимся с устройством двигателя внутреннего сгорания. В любом двигателе нагревателем служит сгорающее топливо, рабочим телом - газ или пар, холодильником - атмосфера или конденсатор.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Итак, двигатель внутреннего сгорания - это тепловая машина, в которой в качестве рабочего тела используются газы высокой температуры, образующиеся при сгорании жидкого или газообразного топлива непосредственно внутри камеры поршневого двигателя.

У стройство четырехтактного автомобильного двигателя

• цилиндр

• камера сгорания

• поршень

• входной клапан

• выходной клапан

• 

  Рисунок 19.Двигатель внутреннего сгорания

  свеча

• шатун

• маховик

Работа ДВС

1 такт – «впуск»: поршень движется вниз, через впускной клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь - пары бензина с воздухом. В конце такта всасывающий клапан закрывается.

2 такт – «сжатие»: поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта в свече проскакивает искра и горючая смесь воспламеняется.

3 такт – «рабочий ход»: газообразные продукты сгорания достигают температуры 1600^o С и давления 1-10 МПа, с большой силой давят на поршень. Поршень опускается вниз и с помощью шатуна и кривошипа приводит во вращение коленчатый вал.

4 такт – «выхлоп»: поршень поднимается вверх и через выходной клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Температура выбрасываемых газов 500^o С.

Двигатель внутреннего сгорания обладает рядом преимуществ, являющихся причиной его широкого распространения: компактность, малая масса. Недостатки двигателя: требует жидкого топлива высокого качества, невозможно получить при его помощи малую частоту вращения (при малом числе оборотов не работает карбюратор). Это заставляет применять различные приспособления для уменьшения частоты вращения, например, зубчатую передачу.

Влияние работы тепловых машин на окружающую среду.

При использовании тепловых машин остро встает вопрос о загрязнении окружающей среды.

Более 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях, где используются мощные паровые турбины. На атомных электростанциях также установлены паровые турбины. На всех основных видах транспорта преимущественно используются тепловые двигатели.

Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для использования энергии связано с воздействием на окружающую среду.

- Какие действия на окружающую среду оказывают тепловые двигатели?

Возможные ответы:

• загрязняют биосферу;

• повышают температуру окружающей среды;

• истощают природные ресурсы;

• влияют на состояние здоровья людей.

При сжигании топлива в атмосферу попадает очень много вредных выбросов. К ним можно отнести углекислый газ СО₂, угарный газ СО, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов.

Количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу одним автомобилем в течение часа  (г.)

Хим. соединения	Грузовики	Легковые	Автобусы
СО	20,925	9,375	9,5
NО2	2,9	1,825	0,74
С	0,8	-	0,125
SО2	0,19	-	0,03
Рb	0,008	0,01	0,05

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.

- Какие же пути решения проблем, связанных с использованием тепловых двигателей, существуют на сегодняшний день?

Очень большое внимание следует уделять защите окружающей среды от продуктов сгорания и создание новых альтернативных источников энергии. К ним можно отнести двигатели, работающие на солнечной энергии, на электрической энергии, на энергии приливных волн и так далее. Именно это направление является наиболее перспективным.

Запасы топлива ограничены, поэтому экономия его – актуальная государственная задача. Расход топлива в значительной мере зависит от технической исправности автомобиля и правильности регулировки его узлов и агрегатов. Тщательный контроль за техническим состоянием даёт 10-15% экономию топлива. Центральной фигурой в деле экономии топлива является водитель.

Велики потери топлива при хранении и заправке из-за проливов, утечек, испарения. При этом происходит загрязнение атмосферы, почв. Там, где хранится горючее, не должно быть сквозняков. Заливать бензином канистры или цистерны лучше полностью, под «горло», чтобы площадь поверхности бензина была минимальной. Это уменьшит его потери на испарение.

После обсуждения проблемы защиты природы учитель просит учащихся на листочке ответить на вопрос: «Что может сделать каждый из нас, чтобы спасти Землю от загрязнения двигателями внутреннего сгорания?».

Листочки с ответами учащиеся прикрепляют к заранее оформленной газете о двигателях внутреннего сгорания.

6. Вопросы для закрепления знаний и повторения

(Правильный ответ выделен.)

1. Тепловыми двигателями называют машины, в которых:

а) кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию.

б) механическая энергия превращается во внутреннюю энергию.

в) внутренняя энергия превращается в механическую энергию.

2. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС)…

а) …имеется внутренняя камера сгорания топлива.

б)… топливо сгорает внутри рабочего цилиндра двигателя.

в) …используется жидкое топливо, вводимое непосредственно в двигатель.

3. Каждый цикл работы ДВС состоит из следующих 4-х тактов:

а) впуск, расширение, воспламенение, рабочий ход.

б) впуск, сжатие, воспламенение, выпуск.

в)впуск, воспламенение, рабочий ход, выпуск.

г ) впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

4. Какой такт работы двигателя изображен на рисунке?

а) Впуск.

б) Сжатие.

Рисунок 24.Третий такт - рабочий ход

в) Рабочий ход.

г) Выпуск.

5. Паровая турбина – вид теплового двигателя …

а) … приводимого в движение струями пара.

б) … может работать на любом топливе.

в) … без поршня и системы зажигания топлива.

г) … для которого характерны все пункты а, б, в.

6. Для работы теплового двигателя обязательно наличие…

а) …рабочего тела – пара или газа.

б) …камеры сгорания топлива или парового котла с топкой.

в)… отвода отработанного пара или газа.

г) …нагревателя, рабочего тела, холодильника.

7. Экономичность двигателя характеризует…

а) …произведенная двигателем работа.

б) …его мощность.

в) …коэффициент полезного действия двигателя.

г) …количество теплоты, полученное при сгорании топлива.

8 . По каким формулам находят КПД теплового двигателя?

а ) .

б ) .

в) .

г) .

7. Итоги урока.

- Мы с вами обсудили тему «Тепловые двигатели», узнали о различных типах тепловых двигателей, об их коэффициенте полезного действия, обсудили экологические проблемы, связанные с применением тепловых двигателей. Каждый из вас сделал для себя вывод, как он будет беречь Землю.

Краткий анализ работы учащихся на уроке. Выставление оценок.

8. Домашнее задание

1. § 22-24 учебника; вопросы и задания к параграфам.

2. Индивидуальное разно уровневое задание. Подготовить к следующему уроку доклады по темам: «Изобретение автомобиля и паровоза», «Первые паровозы», «Развитие железнодорожного транспорта в России», «Применение тепловых машин в промышленности», «Сравнительная характеристика тепловозов и электровозов».