Автомобиль – не роскошь, а средство передвижения/
учебно-методический материал по физике (9 класс)

Тема урока: “Автомобиль – не роскошь, а средство передвижения..”.

Цель урока: расширить и углубить знания учащихся о принципах действия двигателей внутреннего сгорания (ДВС, карбюраторных и дизельных), о видах топлива и физико-химических процессах в природе. 
Способствовать развитию самостоятельности, целеустремленности, аналитического мышления учащихся.
Воспитывать бережное и разумное отношение к окружающей среде. Прививать интерес к химии и физике.

Тип урока: интегрированный урок усвоения знаний на основе имеющихся.

Вид урока: пресс-конференция.

Оборудование: модель ДВС, рисунки и таблицы, коллекция “Виды топлива”, “Нефть”; буклет (Приложение 1), бейджики (Приложение 2)

Формы работы: в процессе подготовки – изучения научной литературы, в ходе урока – взаимоинформация учащихся, ведение тезисных записей.

План.

I. Обоснование значения темы и цели урока. (Слово преподавателей химии и физики, план пресс – конференции.)

Вступительное слово учителя физики: Звучит музыкальный фрагмент песни “Автомобили”. Ребята рассаживаются по местам. “В эфире – радио России! Большой вред причиняют транспортные средства окружающей среде. Доля автотранспорта во вредных выбросах в атмосферу доходит до 80%. Всего по России на долю автомобильного парка приходится свыше 24млн т выбросов в год. Выхлопные газы ДВС вызывают 70% детских болезней. Считают, что болезни человечества на 68% вызваны вдыханием отравленного воздуха. Так, вероятность заболевания раком на 57–80% зависит от состояния окружающей среды”.

Вступительное слово учителя химии: В России выбросы вредных веществ в атмосферу автотранспортом год от года возрастают. Это сотни тысяч тонн. Причём эти тонны выбрасываются не в верхние слои через высоченную трубу ТЭЦ, а в зону дыхания. На сегодняшнем уроке обсудим проблему загрязнения окружающей среды выхлопными газами. Расширим ваши знания о карбюраторных и дизельных двигателях, видах топлива и физико-химических процессах происходящих в природе в результате выбросов в окружающую среду различных газов при сжигании топлива.

Откройте тетрадь запишите тему сегодняшнего урока: Загрязнение окружающей среды выхлопными газами.

Учитель физики: Сегодняшний урок мы проведем в виде пресс-конференции. Тема пресс-конференции: “Автомобиль – не роскошь, а средство передвижения..”. у нас присутствуют специалисты которые будут отвечать на вопросы собравшихся здесь представителей прессы. План нашей пресс-конференции вы видите на доске (зачитать).

План пресс-конференции.

1. Двигатели внутреннего сгорания – карбюраторный, дизельный; их устройство и принцип работы.
2. Топливо, его виды.
3. 3агрязнение атмосферного воздуха выхлопными газами автотранспорта и их влияние на здоровье человека.
4. Средства и меры борьбы с подобным загрязнением: а) нейтрализаторьг б) газодизельные двигатели; в) альтернативные виды топлива: г) управление городским автотранспортом.

В конце конференции каждый из журналистов выскажет свое мнение по решению проблемы:

“Или люди сделают так, чтобы в воздухе стало меньше дыма, или дым сделает так, что на Земле станет меньше людей.”

II. Изучение темы урока на основе имеющихся знаний.

Учитель химии: начинаем нашу пресс-конференцию, журналисты могут задавать вопросы специалистам по интересующим вас проблемам придерживаясь плана пресс-конференции.

Итак, пожалуйста, первый вопрос.

Журналист: Я представляю газету “Восточное Оренбуржье”., у меня вопрос к инженеру конструктору. Мы знаем, что в автомобильном транспорте используются карбюраторные или дизельные двигатели. Читатели нашей газеты спрашивают: “Каковы преимущества дизельного двигателя перед карбюраторным?” Спасибо.

Инженер-конструктор (Купцов). Первый ДВС изобрел в 1878 г. немецкий механик-самоучка Николай Отто. Этот двигатель работал на газе. Позже, в 1885г, его коллега инженер Даймлер построил карбюраторный двигатель, работавший на бензине. Его сердцем является карбюратор – устройство, в котором смешивается бензин и воздух, образуя горючую смесь. Напомним принцип работы четырехтактного карбюраторного двигателя (следует рассказ, сопровождаемый рассмотрением р, V-диаграммы на рис.1 и модели ДВС):

Рис. 1

I такт: всасывание горючей смеси (1–2), объем увеличения при р=const.

II такт: сжатие горючей смеси (2–3). В точке 3 горючая смесь поджигается электрической искрой, происходит взрыв, и давление скачком повышается (3–4).

III такт: рабочий ход (4–5), в конце которого (точка 5) открывается выпускающий клапан, давление резко падает (5–6).

IV такт: поскольку давление остается больше атмосферного, отработанные газы выталкиваются в окружающую среду (6–7), происходит выхлоп.

Цикл завершен, закрывается выпускной клапан, открывается впускной, начинается новый цикл. Полезная работа ДВС равна площади заштрихованной фигуры.

Малая масса, компактность, сравнительно высокий КПД (20–30%) обуславливает широкое применение карбюраторных двигателей. Они приводят в движение автомобили, мотоциклы, моторные лодки. бензопилы

Но у этих двигателей есть и недостатки: дорогое высококачественное топливо, довольно сложная конструкция, большая скорость вращения вала двигателя, выхлопные газы, загрязняющие атмосферу. Более экономичен четырехтактный дизельный ДВС. В 1892г немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на двигатель, в цилиндре которого сжимался воздух, а не горючая смесь. Дизельный двигатель работает без карбюратора и свечи, на дешевых сортах топлива, причем расходует его меньше.

Рассмотрим принцип его работы (рис. 2).

Рис. 2

I такт: при ходе поршня вниз через впускной клапан в цилиндр засасывается атмосферный воздух (изобара 1–2).

II такт: при ходе поршня вверх воздух адиабатно сжимается до давления примерно 1,2·106Па, что ведет к повышению его температуры в конце такта (2–3) до 500–700°С. В сжатый раскаленный воздух впрыскивается с помощью топливного насоса и форсунки дизельное топливо, оно воспламеняется (причем горит дольше бензина).

III такт: образующиеся при горении газы давят на поршень и производят полезную работу во время движения поршня вниз, давление расширяющегося газа поддерживается приблизительно постоянным (изобара 3–4). По окончании горения впрыснутой порции топлива происходит адиабатное расширение газа (4-5), открывается выпускной клапан, давление падает (изохора 5–6).

IV такт: поршень движется вверх и выталкивает продукты сгорания в атмосферу (изобара 6–7). Цикл завершен. Полезная работа равна площади заштрихованной фигуры. Она больше полезной работы карбюраторного двигателя, поэтому больше КПД (35–40%). Дизельные двигатели устанавливают на тракторах и автомобилях, на речных и морских теплоходах, на дизель – электроходах, тепловозах, электростанциях небольшой мощности.

Рис.3

Журналист: У меня вопрос к химику-технологу. Что вы можете сказать о топливе для дизельного и карбюраторного двигателей? Спасибо.

Химик-технолог(Барыкин). Топливо для ДВС получают из нефти (рис.3). Карбюраторные двигатели работают на её легкой фракции – бензине, смеси углеводородов состава С5–С12,. Смесь некоторых углеводородов бензина с воздухом воспламеняется от сотрясения, так что удар взрывной волны о поршень происходит преждевременно. Такое явление называется детонацией, оно приводит к перегреву и преждевременному износу двигателя. Детонационную стойкость бензина определяют октановым числом: чем оно больше, тем выше стойкость к детонации. Это число и определяет разные марки бензина – А-72, А-76, А-96, АИ-93 и т.д. . Октановое число, равное 96, означает, что допускается такое же сжатие паров бензина в цилиндре без детонации, как и при использовании смеси из 96% изооктана СН3–СН(СН3)–СН2–С(СН3)2–СН3 и 4% гептана Н3С–(СН2)5–СН3.

Бензин прямой перегонки нефти представляет собой смесь углеводородов (в основном) нормального строения, поэтому октановое число у него невысокое (50–65). Такой бензин непригоден для непосредственного использования. Его детонационную стойкость повышают, подвергая изомеризации, риформингу или добавляя антидетонатор, например тетраэтилсвинец Pb(С2Н5)4, и получая так называемый этилированный бензин.

При горение этилированного бензина образуются частицы свинца и оксида свинца (II), которые замедляют процесс и поэтому препятствуют детонации. Но такой бензин очень ядовит, действует на нервную систему, вызывает тяжелые хронические заболевания. В последнее время стали применять новый, не обладающий токсичным действием антидетонатор – марганецорганическое соединение С5Н55Mn(СО)3.

Дизельное топливо – более тяжелая, чем бензин, фракция нефти (газойль), называемая в технике соляровым маслом, в быту – соляркой. Важнейшим его показателем, определяющим склонность к воспламенению, является цетановое число. Оно характеризует такое же воспламенение, как при использование смеси н-цетана (С16Р34 и а-метилнафталина С11Н10). Воспламенение первого принято за 100, второго за 0. Для равномерного сгорания топлива, высокой эффективности рабочего цикла, малого расхода горючего, легкого запуска двигателя необходимо, чтобы цетановое число было равно 40–55.

Журналист: У меня вопрос к экологу. Машина из блага цивилизации может превратиться в ее бич, мы, к сожалению, стали понимать совсем недавно. Чем больше машин выходит на улицы, тем труднее горожанам мириться с их гудящим и чадящим потоком. Хотелось бы услышать, насколько вредны выбросы автотранспорта. Спасибо.

Эколог.(Ковалев) Да, вещества, содержащиеся в выхлопных газах (СО, СО2, СXНY, SO2, NOX и др.) наносят большом вред окружающей среде. Считается, что один автомобиль выделяет 1000–1200 вредных компонентов, многие из которых очень токсичны (табл. 1).

Таблица 1.

Состав отработанных газов карбюраторных ДВС.

Коварным газом является оксид углерода (II) СО, или угарный газ. В легких он соединяется с гемоглобином крови в 200–300 раз быстрее, чем кислород. При сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Зарегистрированы случаи, когда, попадая в районы интенсивного автомобильного движения, люда теряли сознание. Угарный газ угнетает также активность ферментов клеток печени, сердца, мозга, повышает уровень сахара в крови.

Большие количества выбрасываемого углекислого газа СО, ведут к возникновению парникового эффекта, который заключается в поглощении атмосферой теплового (инфракрасного) излучения Земли. Это может привести к такому повышению температуры земной поверхности, что вызовет таяние льдов и соответственно поднятие уровня Мирового океана до 50 м.

Выбросы сернистого газа SО2 и оксидов азота вызывают заболевания дыхательных путей. Кроме того, соединения азота неблагоприятно действуют на кровь и кровеносные сосуды. Считается, что оксиды азота в десять раз опаснее, чем оксид углерода (II). Они являются причиной возникновения в воздухе нитрозоаминов – сильных канцерогенов.

Корреспондент “Ясненского вестника”: У меня вопрос также к экологу. Свыше 100 лет назад английский химик А.Слит ввел понятие кислотные дожди, но говорить о них стали только в последнее время. Как они образуются? Какое влияние оказывают на природу? Спасибо.

Эколог (Ковалев). Содержащиеся в выбросах автомобилей газы, такие, как сернистый, оксиды азота, растворяясь в дождевой воде, образуют кислоты азотная , серная, сернистая.

Кислотные осадки (дождь, туман, снег), оседая на почву и вступая с ней во взаимодействие, способствуют образованию ионов алюминия и других токсичных металлов, что приводит к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод. Алюминий, например, способен вызвать болезнь Альцгеймера, заключающеюся в преждевременном старении и развитии умственной неполноценности.

Кислотные дожди вызывают коррозию металлов, разрушают строительные материалы; дожди, содержащие карбонат кальция, приводят к образованию так называемого каменного рака памятников архитектуры.

Корреспондент: Вопрос экологу. Какое влияние оказывают вещества, имс содержащиеся в отработанных газах автомобилей на организм человека?

Эколог (Ковалев). Хочу добавить, что содержащиеся в отработанных газах автомобилей алканы, алкены и арены вызывают депрессию центральной нервной системы. При взаимодействие с оксидами азота они под действием солнечного излучения образуют фотохимический смог, содержащий соединения, значительно превышающего по своей токсичности исходные (появляется неприятный запах, резко ухудшается видимость, воспаляются глаза, слизистые оболочки носа, горла, обостряются легочные заболевания).

При сгорании топлива происходят выбросы и твердой фазы (сажа). В саже содержится сильное канцерогенное вещество – бензопирен. Высокая заболеваемость злокачественными опухолями у людей, длительное время дышавших воздухом с бензопиреном, установлена статистически. Особенно много бензопирена выделяется на холостом ходу, во время разгона, торможения, а также при езде по плохим дорогам.

Еще одним чрезвычайно вредным компонентом автомобильных выхлопов является свинец. По международной классификации – это один из наиболее токсичных элементов. Вследствие применения этилированного бензина в атмосферу выбрасывается ежегодно около 200 тыс. т свинца. Он вызывает заболевания крови, нарушение функции почек, нервные расстройства, отрицательно влияет на синтез белка и наследственность. В США применение этилированного бензина запрещено с 1988 г.

Журналист. У меня вопрос врачу. Читатели спрашивают, является ли причиной акселерации повышенное содержание углекислого газа в атмосфере? Спасибо.

Врач (Канатов): Согласно гипотезе инженера К.Арсеньева причиной акселерации является увеличение содержания углекислого газа в атмосфере. Так, солдаты XVIIIв (по антропологическим исследованиями скелетов участников Полтавской битвы) оказались по росту на 20 см ниже современных призывников. Результаты исследования показали что акселерация больше свойственна детям в городах, чем на селе. Усиленное дыхание из-за нехватки кислорода в атмосфере способствует быстрому росту грудной клетки и ускорению развития всего организма в целом, то есть акселерации. В то же время повышенное содержание углекислого газа приводит к более быстрому прекращению роста человека за счет образования карбоната кальция. Так, если в 1900г этот процесс заканчивался к 26 годам, то сейчас – к 18–19. Поскольку в крупных городах основным поставщиком СО2, является автотранспорт, то не исключено, что на акселерацию влияет и рост автомобильного парка.

Журналист. Вопрос конструктору. Мне известно, что страны Западной Европы ввели вслед за США и Японией с 1993г настолько жесткие экологические нормы, что использование автомобиля без систем очистки выхлопа становится невозможным. Поясните, что это за системы? Спасибо.

Конструктор (Вечканов): Да, пример такого строжайшего экологического контроля мы найдем в американском штате Калифорния. Там с 1975г введены нормы, требующие “чистого” выхлопа. Для их соблюдения приходится обязательное применять нейтрализаторы для автомобильных двигателей.

Нейтрализаторы (обычно каталитические) выполняются в виде двух камерного реактора. В одной из камер (правой на рисунке) осуществляется окисление угарного газа и углеводородов:

2СО + O2 → 2СО2;

СnНm + О2 → nСO2 + Н2O,

во второй камере – восстановление оксидов азота:

2СО + 2NО → N2 + 2СО2.

(Схема двухкамерного каталитического нейтрализатора.)

Эти нейтрализаторы применяются на автомобилях и с карбюраторным, и с дизельным двигателями. Отечественные катализаторы – из оксида алюминия – тоже снижают в отработанных газах уровень оксида углерода (II) на 80%, углеводородов – на 70%, оксидов азота – на 50% (в целом – в 10 раз). Конечно, самым лучшим катализатором является платина, но это дорогой и дефицитный металл.

По мере эксплуатации обнаружились и неблагоприятные факторы. При работе ДВС на этилированном бензине поверхность катализатора быстро обволакивается свинцом, при работе на дизельном топливе на ней осаждается сажа и сера. Все это достаточно быстро выводит катализатор из строя.

Журналист: Вопрос сотруднику научно – исследовательского института. Сегодня мы выслушали сообщение инженера-конструктора о работе бензинового и дизельного двигателей. Как я понял, автотранспорт переходит на дизельные двигатели потому, что они работают на более дешевом топливе, проще по конструкции, имеют более высокий КПД по сравнению с карбюраторным. А экологически дизельные двигатели чище карбюраторных? Спасибо.

Сотрудник ЦНИИАТ.(Кисметов Бауржан): Возрастающий интерес к дизельному двигателю связал не только с проблемой удешевления эксплуатацией автомобилей, но и с уменьшением загрязнения окружающей среды. В дизельном топливе нет свинцовых присадок, в выбросах в 2–3 раза меньше токсичных веществ, а таких, как оксиды углерода и углеводороды, меньше на 50–90% (табл. 2).

Таблица 2.

Состав отработанных газов ДВС, %

Специалисты нашего Центрального научно-исследовательского института автомобильного транспорта разработали двигатель, работающий на особом виде горючего – смеси дизельного топлива и природного газа. В некоторых городах появились “Икарусы” с двумя внушительными баллонами на крыше.

У этих автобусов нет дымового шлейфа, который тянется за тяжело груженной машиной, они экологически чистые. Отработанных газов у них по сравнению с обычными автобусами в 4 раза меньше, при этом вдвое ниже расход топлива, на 10–12% выше мощность двигателя, а время работы между ремонтами больше в 1,5 раза. Кроме того, природный газ дешевле бензина, лучше смешивается с воздухом (поэтому полнее сгорает, а значат, и вредных веществ в выхлопах меньше), не разрушает масляную плёнку между трущимися деталями, так что снижается износ деталей.

Журналист: У меня вопрос химику -технологу. Какие в настоящее время используются или разрабатываются экологически чистые виды топлива?

Химик-технолог (Барыкин): В последнее время в качестве топлива предложили использовать этиленовый спирт, или этанол, который при сгорании образует только углекислый газ и воду

С2Н5ОН + 3О2 → 2СО2 + 3Н2О

Получают этанол из растений. Машины, работающие на спирте, биогазе, уже имеются, больше всего их в Бразилии.

Наиболее экологически чистым видом топлива является водород – для его получения можно использовать обыкновенную воду: 2Н2О → 2Н2 +О2.

На это указал еще Жюль Верн в своём романе “Таинственный остров”. Водород не ядовит, при сгорании образует только воду – экологически чистое вещество. При сгорании одного моля водорода выделяется тепла в три раза больше, а при сгорании атомарного водорода – в восемь раз больше, чем при сгорании такого же количества бензина. Трудность состоит в промышленной технологии разложения воды. Водород – топливо будущего.

Везде пути открыты водороду,
Горючим стать имеет все права,
Не гибла бы от дыма вся природа,
Прекрасная зеленая трава.

Журналист. Вопрос конструктору. Сейчас говорят о новом виде транспорта электромобиле. Скажите, скоро ли электромобили появятся на наших дорогах? Спасибо.

Конструктор (Вечканов): Преимущества электромобиля несомненны. Во-первых, он экологически чист, во-вторых, исключается использование нефти, а сжигать нефть, как заметил еще Дмитрий Иванович Менделеев, все равно, что топить печь ассигнациями. Источник его энергии – аккумулятор. Натрийсерные, никелькадмиевые и другие типы аккумуляторов позволяют преодолевать расстояния до 700 км и развивать скорость свыше 100 км/ч. Поддоны с аккумуляторными батареями легко меняются за 10–15 мин.

Представим себе, что в следующем году все мы пересядем на электромобили. Выполнимо ли это? Нет! Где мы их возьмем? Ведь надо создать целую отрасль промышленности! Кроме того, если все автомобили перевести на электротягу, на всей планете не хватит электричества для зарядки аккумуляторов. Значит, надо строить новые электростанции. Ведь сегодня большую часть энергии, до 80%, вырабатывают ТЭС, сжигающие уголь, мазут и выбрасывающие в атмосферу немало вредных веществ, так что “экологически чистый” автомобиль будет отнюдь не таким чистым. Я надеюсь, что в скором будущем при правильном решении этих проблем электромобиль станет главным видом городского транспорта

Появились первые машины, энергию для движения которых дают фотоэлементы, преобразующие энергию Солнца, а чтобы эта энергия расходовалась более рационально, система управления оснащают компьютерами.

Журналисты. Все хорошо: перевод автомобиля на дизельные двигатели, газ вместо бензина, электромобили, но все это в будущем, а сейчас? Что делать сейчас, чтобы воздух был чище?

Сотрудник ГИБДД (Базайкин): Выбросы от личного автотранспорта составляет, 36% от всех транспортных выбросов. Их снижению способствуют следующие меры:

1. Обеспечение равномерного движения машин на улицах, предотвращение заторов, задержек на перекрестках, когда автомобили простаивают, вхолостую расходуя горючее и загрязняют воздух отработанными газами.
2. Соблюдение предельной скорости движения 60 км/ч, т.к. именно этой скорости соответствует минимум вредных выбросов; при ее увеличении и уменьшении выброс может возрасти более чем вдвое.
3. Вынос за городскую черту грузовых транспортных потоков. Это в нашей области выполняется.
4. Организация пешеходных зон, куда въезд автотранспорта предельно ограничен.
5. Экологическое просвещение населения: каждый водитель должен знать, что причины дымления автомобиля – неисправность двигателя, неотлаженностъ систем питания или зажигания. Только за счет правильной регулировки автодвигателей выброс вредных веществ в атмосферу можно уменьшить в 3–5 раз. Плохо накачанные шины не только быстрее изнашиваются, но и увеличивают сопротивление движению, а значит, сжигается больше горючего. Неправильным выбор скорости движения резкие разгоны и торможения, превышения установленной скорости, увеличение частоты вращения двигателя на холостом ходу – все это приводит к загрязнению атмосферы.
6. Создание сети диагностических станций для контроля за техническим состоянием автомобилей.

Есть ли еще вопросы?

III. Отчет журналистов о проделанной работе. (Выводы.)

Так как вопросов нет, подведем итог нашей конференции и попросим журналистов высказать свое мнение по проблеме: “ Или люди сделают так, чтобы в воздухе стало меньше дыма, или дым сделает так, что на Земле станет меньше людей”.

Кто-то хочет еще высказаться.

Вывод: (преподаватель химии) Наша конференция показала, что развитие автотранспорта тесно связано и с физикой, и с химией, что для устранения вредных последствий этого развития необходимо провести мероприятия по снижению токсичности выхлопов автотранспорта на региональном, государственном и международном уровнях. В частности, и для выполнения стандартов Единой экологической комиссии ООН по экологии автотранспорта, которые наша страна обязалась выполнять по Женевскому соглашению 1985г.

В заключении отметим, что каждый из нас в ответе за чистоту на нашей земли.

Учитель физики: Пока шла пресс – конференция, в свет вышел экстренный выпуск газеты “Ясненский вестник” отражающий рассмотренные на ней вопросы.

IV. Подведение итогов. Вручение памятных буклетов.

Спасибо журналистам за вопросы, спасибо специалистам за ответы.