Конспект + презентация к уроку "Принцип действия тепловых двигателей. КПД. Физика. 8 класс".
план-конспект урока по физике (8 класс)

Урок физики в 8-м классе по теме:

«Принцип действия тепловых двигателей. КПД.

Охрана окружающей среды»

Подготовлен Биккининой Н.Р., учителем информатики, физики МБОУ «Школа №11» города Прокопьевска Кемеровской области

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».
• Мультимедийная презентация «Тепловые двигатели».
• Раздаточный материал - таблица «Тепловые двигатели».

На доске: 

Нельзя допустить, чтобы люди направляли на свое собственное уничтожение те силы природы, которые сумели открыть и покорить.

Ф.Жолио-Кюри.

План урока

1. Организационный момент.        
2. Постановка проблемы: проведение опыта, обсуждение.
3. 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

Слайд №1  Тема урока

1. Организационный момент.

Слайд №2 Интерактивный план урока.

2. Постановка проблемы.

Проведение демонстрационного опыта.

В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Пробка выскочит.

Таблица 1

Тема сегодняшнего урока «Тепловые двигатели» (учащиеся записывают тему в тетради).

Слайд №3  На слайде иллюстрирована краткая история тепловых машин.

3. Объяснение нового материала учителем.

Виды тепловых двигателей

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 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.

Прогресс нашей цивилизации напрямую связан с применением тепловых машин: нет ни одной области человеческой деятельности, где бы они не применялись.

Эолипил («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.

Паровая 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.

«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.

«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.

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.

Универсальная 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.

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

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.  

Корнуэльские 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 вести состав общим весом до 30 тонн.

Дирижабль Жиффара. Анри Жиффар. 1852 г. Воздушный шар всегда летел по воле ветра, и будущему изобретателю это не нравилось. Тогда он решил, что если на шар поставить мощную паровую машину с воздушным винтом, то можно будет лететь в любом направлении.

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.

Все тепловые машины преобразуют внутреннюю энергию в механическую.

Слайды № 4, 5

Внутренняя энергия этих машин образуется за счет энергии топлива.

Слайды № 6, 7

Можно выделить несколько основных видов тепловых двигателей. К двигателям внешнего сгорания относятся паровая машина, паровая и газовая турбины, к двигателям внутреннего сгорания – бензиновый и дизельный. Существуют также реактивные и ракетные двигатели.

Слайд №8

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

Слайд №9

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

Слайд №100

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.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Для характеристики экономичности различных устройств введено понятие коэффициента полезного действия («Физика», 7 класс).

Слайды №11, 12

Таблица 2

Слайд №13

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' < Q, для всех машин η < 100%.

Слайд №14

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%.

Слайд №15

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

Слайд №16

Коэффициент полезного действия можно рассчитать по следующим формулам:

С данного слайда можно вернуться на слайд №7 «Виды тепловых двигателей», снабженный интерактивной навигацией, или продолжить работу с последующими слайдами.

Слайд №17

4. Доклады учащихся и их обсуждение.

Задание учащимся: на основе сообщений заполнить хронологическую таблицу «Тепловые двигатели».

Таблица 3

Тепловые двигатели

Слайд №18

Паровая машина

Паровая машина Д. Уатта состояла из чугунного цилиндра, в котором ходит поршень. Пар поступал попеременно по обе стороны поршня, толкая его то в одну, то в другую сторону. С помощью штока, ползуна, шатуна и коленчатого вала движение передавалось маховику. В такой машине двойного действия отработавший пар конденсировался не в цилиндре, а в отдельном от него сосуде — конденсаторе. Постоянство числа оборотов маховика поддерживалось центробежным регулятором. Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784 г. Применялась в промышленности и на транспорте.

Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД. У паровозов КПД не превышал 9%.

Слайд №19

Паровая турбина

Паровая турбина является основной частью паросиловой установки. В паросиловой установке распыленное жидкое или твердое топливо сгорает в топке, подогревая котел. В паропровод выходит перегретый водяной пар с температурой около 300-500 0С и давлением 17-23 МПа. Пар приводит во вращение ротор паровой турбины, который вызывает движение ротора электрического генератора, вырабатывающего электрический ток. Происходит преобразование внутренней энергии пара в механическую энергию роторов и далее в электрическую энергию. Отработанный пар поступает в конденсатор, где сжижается, образовавшаяся вода с помощью насоса поступает в паровой котел и снова превращается в пар. КПД турбины выше 30%. Применяется на электростанциях и кораблях.

Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Г. Лавалем в 1889 г.

Виды топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, мазут, природный газ.

Слайд №20                                Газовая турбина.

В камеру сгорания газовой турбины с помощью компрессора подается сжатый воздух при температуре примерно 200°С, и впрыскивается жидкое топливо (керосин, мазут). Во время горения топлива воздух и продукты сгорания нагреваются до температуры 1500-2200°Си направляются с большой скоростью на лопасти турбины, приводя ротор во вращение.

Газовые турбины - это двигатели, обладающие большой мощностью, поэтому их применяют в авиации. Ее КПД составляет 30-40%. Первый патент на газовую турбину получил англичанин Джон Барбер в 1791 году.

Слайд №21

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

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.

Первый поршневой двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 году французским инженером Э.Ленуаром. КПД этого двигателя был равен 3,3%. КПД современных ДВС – 20-30%.

Использование ДВС: автомобили, тракторы, тепловозы, авиация, корабли.

Устройство четырехтактного автомобильного двигателя

• цилиндр,
• камера сгорания,
• поршень,
• входной клапан;
• выходной клапан,
• свеча;
• шатун;
• маховик.

Слайд №22

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 1600o 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 500o С.

Виды топлива: бензин, природный газ.

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.

Слайд №23

Принцип действия четырехтактного дизеля

Первый функционирующий образец, названый «Дизель-мотором», был построен Рудольфом Дизелем к началу 1897 г.

В дизеле подвергается сжатию не горючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11-12-кратное, воздух нагревается до 500-600oС. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр поступает мелкораспыленное жидкое топливо, например нефть, которое воспламеняется от горячего воздуха.

Виды топлива: керосин, нефть (более тяжелые сорта топлива, чем бензин). Дизели используют на тракторах, кораблях, большегрузных машинах, передвижных электростанциях.

Дизельный двигатель имеет ряд преимуществ перед карбюраторным двигателем:

1. более высокий КПД – 30-40%, а поэтому этот двигатель более мощный;
2. более экономичный, работает на более дешевом топливе – солярке.

Недостатки двигателя: его выхлопные газы содержат больше сажи, более ядовиты, то есть более токсичны.

Слайд №24

Проверка таблицы «Тепловые двигатели».

Слайд №25

5. Физкультминутка (1-3минуты).

Физкультминутку проводит дежурный учащийся.

Слайд №26

Схема работы четырехтактного дизеля

 (видеофильм)

Кадры фильма знакомят нас с принципом работы дизельного двигателя. Крупным планом демонстрируются четыре такта работы дизельного двигателя: всасывание, сжатие, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Показана согласованная работа двух цилиндров. В видеосюжете затронут вопрос о негативном влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.

К сожалению формат swf сейчас не поддерживается. Но в Интернете можно найти много свободно распространяемых программ для воспроизведения данного формата. И посмотреть его отдельно от презентации.

Слайд №27

6. 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.

Вопрос учащимся: 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.

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.

Слайд №28

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

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.

Учитель: 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.

Слайд №29  Определите названия составных часте ДВС

Слайды №30-38  

8.   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.

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)                                            .

Слайды  №39-40

9. Решение задачи.

Каков КПД двигателя автомобиля мощностью N=20 кВт, если  при скорости v=20 м/с двигатель потребляет  V=10 л бензина на путь S=100 км. Удельная теплота сгорания бензина q=44 МДж/кг, а его плотность ρ=0,7•103 кг/м3.

Слайд  №41

10. Итоги урока.

Учитель: 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.

Слайд №42

11. Домашнее задание

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

2.  Задачи № 601, 603 (Сборник задач по физике).

3. Индивидуальное разноуровневое 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».

Слайд №43

При подготовке урока использованы следующие материалы.

Литература:

1. Громов С.В. Физика: Учебник для 8 класса. – М.: Просвещение, 2003.
2. Перышкин А.В. Физика: Учебник для 8 класса. – М.: Дрофа, 2009.
3. Перышкин А.В. Сборник задач по физике. 7-9 классы. – М.: «Экзамен», 2010.
4. Чеботарева А.В. Тесты по физике. 8 класс: к учебнику А.В,Перышкина «Физика. 8» / М.: «Экзамен», 2008.
5. Волков В.А. Поурочные разработки по физике: 8 класс. – М.: ВАКО, 2006 г.
6. Энциклопедический словарь юного техника /Сост. Б.В.Зубков, С.В.Чумаков - М.: Педагогика, 1980 г.

Цифровые образовательные ресурсы:

1. CD «Физика 7-11». Библиотека электронных наглядных пособий. «КМ»
2. CD «1С:Школа. Физика 7-11». Библиотека электронных наглядных пособий. «Дрофа»

Ресурсы в Интернете:

1. Пар и история изобретений http://www.spiraxsarco.com/ru/steam-academy/academy-articles.asp?id=31#%D0%A2%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%B0%20%D0%91%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%BA%D0%B0
2. Материалы Интернет-энциклопедии www.wikipedia.ru
3. Материалы сайта «Фестиваль педагогических идей «Открытый урок»» http://festival.1september.ru
4.  Материалы сайта «Сеть творческих учителей» http://www.it-n.ru/reg.aspx по теме «Современный мультимедийный урок».
5. Ресурсы Интернета, доступные с помощью поисковых систем