Коэффициент полезного действия теплового двигателя
план-конспект занятия по физике (8 класс)

Урок физики в 8 классе.

Тема: «Коэффициент полезного действия теплового двигателя».

Тип урока: комбинированный.

Цели урока: Научиться определять КПД тепловых двигателей

Задачи урока:

1. Образовательные цели: применение изученного ранее понятия КПД к тепловым двигателям, установление связи между различными видами энергии, первичное закрепление новых знаний.
2. Развивающие цели: овладение учащимися методами научного исследования: анализа и синтеза, развитие логического мышления, расширение кругозора учащихся.
3. Воспитательные цели: формирование добросовестного отношения к труду, положительной мотивации к учению и овладению новыми знаниями, повышение интереса к предмету.

План урока:

1. Организационный момент.
2. Сообщение темы и целей урока.
3. Актуализация знаний – повторение изученного материала.
4. Изучение нового материала.
5. Закрепление изученного материала.
6. Рефлексия.
7. Домашнее задание

Оборудование: пробирка с пробкой, штативы, деревянный метр, спиртовка, ПК, мультимедийный проектор, интерактивная доска.

Этап 1. Организационный момент. (2 мин.)

Здравствуйте. Присаживайтесь.

Дети здороваются. Садятся. Достают учебники готовятся к уроку.

Этап 2. Сообщение темы и целей урока. (5 мин.)

Название темы пишется на доске. Ученики записывают тему. Включается презентация.

Сообщается что на уроке проведем демонстрационный опыт.

Этап 3. Актуализация знаний – повторение изученного материала. (5 мин.)

Фронтальный опрос:

1. Что называется тепловым двигателем?

Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию

2. Какие тепловые двигатели вы знаете?

Двигатель внутреннего сгорания

Газовая турбина

Реактивный двигатель

Паровая машина Дэни Папена

Паровая машина Томаса Ньюкомена

Паровая машина Джеймса Уатта

Паровая турбина Лаваля

Паровая труба Парсона

Паровоз Стефансона и Черепановых

3. Какие превращения энергии происходят при работе тепловых двигателей?

Энергия топлива переходит в энергию газа (пара). Газ расширяется, совершает работу и при этом охлаждается. Часть энергии превращается в механическую энергию.

Этап 4. Изучение нового материала.

Сведения из истории:

В 3 веке до н. э. Архимед изобрел пушку, которая стреляла за счет энергии пара. При стрельбе один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола заливали воду. Вода мгновенно испарялась, и пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

Демонстрационный эксперимент «Модель паровой пушки»: в пробирку с пробкой наливается вода и нагревается в пламени спиртовки. Вода закипает, и пробка выскакивает из пробирки.

Вопрос: какие превращения энергии произошли в ходе этого эксперимента?

Ответы учащихся фиксируются на интерактивной доске: 

Постановка проблемы: Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, перешла в механическую энергию пробки?

Экспериментальная проверка гипотезы.

В штативе вертикально устанавливается деревянный метр, нижний конец которого находится на уровне пробки. Пробирка с водой располагается вертикально и нагревается в пламени спиртовки. Учащиеся засекают время нагревания пробирки до выстрела по часам с секундной стрелкой. Во время выстрела фиксируется  высота подъема пробки. Полученные данные оформляются в виде задачи.

Дано:              СИ:              Решение:

m = 9г           0,009кг        Qт = N t

N = 0,5Вт        Eп = m g h

t = 60 с

h = 1,2 м

__________

Qт - ? Еп - ?

Вопросы:

1. Почему в полученных результатах настолько отличаются значения?
2. Куда израсходовалась часть энергии?
3. Вспомните формулу физической величины, которая показывает, какая часть от затраченной энергии пошла на полезную работу?

4. Какая полезная работа была совершена в эксперименте при выстреле вверх?

Была совершена полезная работа по поднятию пробки.

5. Против какой силы была совершена работа по поднятию пробки, если не учитывать сопротивление воздуха?

Против силы тяжести.

Следовательно, полезная работа по модулю равна работе силы тяжести.

Ап = Fтяж . S

Fтяж = mg    S = h

Ап = mgh

6. Какая физическая величина равна mgh?

Потенциальная энергия пробки:

Еп = mgh

Следовательно: Ап = Еп.

7. Благодаря какой энергии произошел выстрел?

Использовали энергию сгоревшего топлива. На выстрел была затрачена энергия топлива.

Аз = Qн

Получаем формулу КПД для экспериментальной модели:

Расчет КПД модели паровой пушки.

Распространение полученных результатов на все тепловые двигатели.

В тепловых двигателях рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Qн. Эта энергия возникает в результате сгорания топлива:

Qн=Аз

Часть энергии, полученной от нагревателя, расходуется на совершение полезной работы Ап, на движение поршня.

КПД теплового двигателя – это физическая величина, показывающая какая часть энергии, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу.

Другая часть энергии уходит в виде тепла, количество которого Qн, в холодильник (в окружающую среду).

Полезная работа равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя и количества теплоты Qн, отданного холодильнику Qх.(холодильник это любое внешнее тело, имеющее температуру меньше рабочего тела и служащее для охлаждения рабочего тела после совершения им работы):

Ап = Qн– Qх

Формула        преобразуется в другую формулу:

Этап 5. Закрепление изученного материала.

Решение задач по вариантам:

В – 1.

В топке паровоза сожгли 1,5 кг дров с удельной теплотой сгорания 0,42.107Дж/кг, при этом была совершена полезная работа 18,9 МДж. Определить КПД паровоза.

Дано:                              Решение:

m =1,5 кг                  

Aп=1,89·107 Дж        

q=4,2·106              

КПД- ?                    

Ответ: КПД=30%

В – 2.

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля совершил полезную работу     92 МДж. При этом он израсходовал 5 кг бензина с удельной теплотой сгорания 46.106 Дж/кг. Определить КПД двигателя автомобиля.

Дано:                              Решение:

m =5 кг                  

Aп=9,2·107 Дж        

q=46·106              

КПД- ?                    

Ответ: КПД=30%

Вопросы для закрепления:

1. Какую физическую величину, изученную в 7 классе, мы вспомнили сегодня?

Энергия-физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.

2. Что такое КПД?

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

3. Какие превращения энергии происходят в тепловых двигателях?

Энергия топлива переходит в энергию пара, затем энергия переходит частично в механическую энергию, а частично расходуется на совершение полезной работы двигателя.

4. Вся ли энергия, выделившаяся при сгорании топлива, в тепловом двигателя переходит в механическую энергию?

Нет, так как часть энергии расходуется на возврат поршня в первоначальное положение.

5. Что показывает КПД тепловых двигателей?

КПД теплового двигателя даёт характеристику его экономичности.

6. Может ли КПД тепловых двигателей быть равным 100%?

КПД двигателя всегда меньше единицы.

Этап 6. Рефлексия.

1. Что заинтересовало вас сегодня на уроке?
2. Что вызвало трудности?
3. Удалось ли нам их преодолеть?
4. Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?

Этап 7. Домашнее задание

     Вопросы после параграфа.