1. Урок по физике в 10-м классе "Тепловые двигатели"
Учитель: Агалакова В.А. – МОУ СОШ с.Каринка Кирово-Чепецкого р-на.
Цель урока: Создание условий для усвоения знаний о процессах работы теплового
двигателя; значения тепловых двигателей для жизни общества и влияния тепловых машин
на окружающую среду.
Задачи:
1) Обучающие
- актуализировать знания учащихся по теме тепловые машины;
- сформировать понятия: КПД теплового двигателя, КПД идеальной тепловой машины;
- показать влияние тепловых машин на окружающую среду.
2) Развивающие
- развивать умение решать задачи по теме «Тепловые двигатели»;
- развивать умение анализировать увиденное, выделять главное, делать выводы;
- способствовать развитию устной речи учащихся;
- развивать навыки работы с персональным компьютером.
3) Воспитательные
- способствовать формированию ответственности и самостоятельности через подготовку
минипроекта к уроку, создание презентаций и минивыступлений;
- воспитывать бережное отношение к природе через обсуждение экологической
проблемы.
Тип урока: изучение нового материала.
Методы: беседа, защита минипроекта, тестирование, решение задач.
Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, презентация, модель ДВС,
видеофильм «Тепловые двигатели и экологические проблемы»
Ожидаемый результат: усвоение понятия тепловой двигатель; принцип действия
теплового двигателя; КПД тепловых машин; их практическое применение и влияние на
окружающую среду.
1
2. Ход урока
1. Организационный момент.
Приветствие.
Слайд 1. Мотивация на урок:
2. Актуализация знаний.
Ребята, прежде, чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним
ключевые термины, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока. А в
этом нам поможет кроссворд, ключевое слово которого имеет непосредственное
отношение к теме сегодняшнего урока.
Слайд 2. Кроссворд.
1. Один из способов изменения внутренней энергии тела (теплопередача).
2. Источник энергии, используемый в промышленности, на транспорте, в
сельском хозяйстве, в быту (топливо).
3. Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).
4. Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).
5. От этой величины зависит скорость движения молекул (температура).
6. Единица измерения мощности (Ватт).
7. Процесс соединения молекул горючего с кислородом, при котором выделяется
энергия (горение).
8. Единица измерения энергии (Джоуль).
9. Один из видов теплопередачи (излучение).
Учащиеся самостоятельно формулируют тему и определят основные задачи урока.
Учащиеся записывают в тетради тему урока «Тепловые двигатели»
Слайд 3. Тема и цели урока.
Тема сегодняшнего урока – «Тепловые двигатели»
Сегодня на уроке мы:
- вспомним, какие машины являются тепловыми двигателями;
- рассмотрим преобразование энергии в них;
- повторим основные виды двигателей и их применение;
- изучим влияние на окружающую среду тепловых двигателей;
- определим возможные пути выхода из сложившейся экологической ситуации.
Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии,
источниками которой являются различные виды топлива, ветер, солнце, приливы и
отливы. Существуют различные виды машин, которые реализуют в своей работе
превращение одного вида энергии в другой. Мы рассмотрим один из типов машин –
тепловой двигатель.
Слайд 4. Определение.
• Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в
механическую.
Как же это происходит?
Слайд 5. Анимационная модель работы простейшего теплового двигателя.
Если в цилиндр налить немного воды, затем закрыть плотно пригнанным поршнем,
который может двигаться вдоль цилиндра, и нагреть воду до кипения, то под давлением
пара поршень поднимется вверх, то есть совершит работу.
Слайд 6. Завершение работы теплового двигателя (окончание работы слайда №5).
ВОПРОС УЧИТЕЛЯ: Какие преобразования энергии здесь происходили?
(энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а внутренняя энергия пара
превращается в кинетическую энергию поршня).
2
3. Слайд 7. Джеймс Уатт.
Такой двигатель был изобретен в конце XVIIв. Джеймсом Уаттом и
усовершенствован в дальнейшем.
Слайд 8. Схема – классификация тепловых двигателей.
Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина,
двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный
двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию
газа (или пара). Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его
внутренней энергии превращается в механическую энергию.
Слайд 1. Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно.
Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы,
автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах.
Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в
качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных
двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.
Слайды 9-21. Устройство и принцип работы ДВС.
Из всего многообразия тепловых двигателей мы знакомились с двигателем внутреннего
сгорания (ДВС). Двигатель внутреннего сгорания – очень распространенный вид
теплового двигателя.
Повторим устройство ДВС:
Показывается модель ДВС и компьютерная модель
Учащиеся сами рассказывают об устройстве и принципах работы ДВС
Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3, соединенный при
помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5. На валу укреплен тяжелый маховик 6, для
уменьшения неравномерности вращения вала. В верхней части цилиндра имеются два
клапана 1 и 2, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в
нужные моменты. Через клапан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая
воспламеняется с помощью свечи 7, а через клапан 2 выпускаются отработавшие газы. В
цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей
из паров бензина и воздуха. При сгорании горючей смеси образуются газы, температура
которых достигает 1600 – 1800 0С.
На реальной модели мы можем лишь посмотреть движение частей ДВС, но не видно
самого процесса работы. Более наглядно мы можем посмотреть работу ДВС на
анимированной модели.
Используется электронный ресурс:
(1C Школа. Физика. Подготовка к ЕГЭ 10-11 класс/Курсы/Основы МКТ и
термодинамика/ 13. Тепловой двигатель/ справочный материал/ анимация «Схема
работы ДВС»)
3. Изучение нового материала - Слайд 22.
Слова учителя:
Рассмотрим принцип работы теплового двигателя в общем виде.
Работа любого теплового двигателя циклична.
Каждый цикл состоит из разных процессов:
- получение энергии от нагревателя;
- рабочего хода;
- передача неиспользуемой части энергии холодильнику.
3
4. Наличие нагревателя, рабочего тела, холодильника – принципиально необходимое
условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.
КПД замкнутого цикла:
Q1 – количество теплоты полученное от нагревателя Q1>Q2
Q2 - количество теплоты отданное холодильнику Q 2<Q 1
A = Q 1- |Q 2| - работа совершаемая двигателем за цикл η < 1
Цикл C. Карно:
T1 – температура нагревателя
Т2 – температура холодильника
Слайд 23. Экологические проблемы.
С развитием энергетики, автомобильного и других видов транспорта всё более
сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния
продуктов сгорания. Это связано с действием различных факторов:
- при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха;
- сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа;
- при работе двигатели выбрасывают в атмосферу азотные и серные соединения, а так
же свинец.
ПРИМЕР: Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем
больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода,
около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.
Давайте послушаем группу учащихся, которые выполнили минипроект по данному
вопросу.
4
5. 4. Защита проекта, выполненного группой учащихся «Влияние ДВС на окружающую
среду»
Выступление учащихся с проектом «Влияние ДВС на окружающую среду»
Тезисы для презентации проекта:
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием
различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего
содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.
В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными
соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно
выбрасывают в атмосферу две-три тонны свинца.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - использованием в
автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых
не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в
которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели,
использующие в качестве топлива водород.
Выбросы вредных веществ в атмосферу не единственная сторона воздействия энергетики
на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и
механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в
окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к
постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений,
связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования
энергии, борьба за её экономию.
Перед просмотром фильма учитель задаёт несколько вопросов, нацеливая учащихся
на внимательный просмотр:
1) Какова главная идея видеофильма?
2) Какие чувства у Вас вызовет фильм?
3) Какие выводы можно сделать после просмотра данного фильма?
5. Просмотр видеофильма «Тепловые двигатели и экологические проблемы»
Обсуждение фильма
После обсуждения фильма:
ВОПРОСЫ УЧИТЕЛЯ:
Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических
проблем? (посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели;
переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или
автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.)
6-7. Закрепление материала
Ну, а сейчас давайте ещё раз коротко повторим то, с чем мы познакомились на
сегодняшнем уроке.
- Какие машины называют тепловыми двигателями?
- Назовите основные элементы теплового двигателя.
- Как определить КПД теплового двигателя?
- Какие виды тепловых двигателей вы знаете?
5
6. - Что является нагревателем двигателя внутреннего сгорания?
- Что является холодильником двигателя внутреннего сгорания?
- Из скольких тактов состоит цикл двигателя внутреннего сгорания?
А сейчас проверим, как хорошо вы умеете решать задачи. На выданном вам листке
несколько задач различного уровня сложности. Вы вправе сами выбрать те задачи,
которые будете решать. Рядом сидящие выбирайте разные задачи.
Учащиеся решают задачи, выбирая из предложенного списка одну-две:
1. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя
150 С, а температура холодильника 30 С?
2. Тепловой двигатель совершает работу за цикл 100 Дж. Какое количество теплоты
получено при этом от нагревателя, если КПД двигателя 20%?
3. Двигатель получает от нагревателя каждую секунду 7200 Дж теплоты и отдает в
холодильник 6400 Дж. Определите КПД.
4. При изотермическом сжатии газ передал окружающим телам теплоту 800 Дж.
Какую работу совершил газ? Какую работу совершили внешние силы?
5. При адиабатном процессе газом была совершена работа 150 Дж. Как и насколько
изменилась его внутренняя энергия?
6. В каком случае газообразная горючая смесь в цилиндре двигателя внутреннего
сгорания обладает большей внутренней энергией: в начале такта «рабочий ход»
или в конце его?
7. Во время каких тактов закрыты оба клапана в четырехтактном двигателе
внутреннего сгорания?
8. Отражается ли неполное сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания на его
КПД; на окружающей среде?
9. В одной из паровых турбин для совершения полезной работы используется 1/5
часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в другой – 1/4 часть. КПД
какой турбины больше? Ответ обоснуйте.
10. Вычислите КПД турбин, описанных в предыдущей задаче.
11. Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1, 89 • 107
Дж потребовалось 1, 5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4, 2 • 106 Дж/кг.
12. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2, 3 • 104 кДж,
и при этом израсходовал бензин массой 2 кг. Вычислите КПД этого двигателя.
13. За 3 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 25%, израсходовал 24 кг бензина.
Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге?
14. Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14
кг бензина. Определите КПД двигателя.
15. Выполняя домашнее задание, ученик записал: «К машинам с тепловыми
двигателями относятся: реактивный самолет, паровая турбина, мопед». Дополните
эту запись другими примерами.
Теперь мне хотелось бы проверить, насколько хорошо вы усвоили новый материал. Для
этого я предлагаю вам пересесть за компьютеры и ответить на вопросы теста. Но
оценивать ваши знания будет компьютер. А я и вы сделаем выводы, на что вам нужно
обратить внимание при подготовке домашнего задания.
На рабочем столе компьютера учащиеся находят ярлык для тестирования и запускают
тестовую оболочку Test System Deluxe, затем выполняют тестовое задание:
1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:
а) превращающие тепловую энергию в механическую;
б) электрическую энергию в тепловую;
в) внутреннюю энергию в тепловую)
6
7. 2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу:
а) холодильник;
б) газ или пар;
в) нагреватель;
3. Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в
тепловом двигателе:
а) наличие нагревателя и холодильника;
б) наличие рабочего тела и холодильника;
в) наличие нагревателя и рабочего тела
4. КПД теплового двигателя всегда:
а) больше 1;
б) равен 1;
в) меньше 1.
5. Как определить изменение внутренней энергии согласно первого закона
термодинамики.
а) ∆U = Q – A;
б) ∆U = Q + A;
в) ∆U = Q /A.
6. На что расходуется количество теплоты, переданное системе при изотермическом
процессе?
а) на изменение внутренней энергии;
б) на совершение работы системой;
в) на изменение внутренней энергии и на совершение работы системой.
7. Как называется процесс, для которого первый закон термодинамики имеет вид:
∆U = Q + A?
а) изохорный;
б) изотермический;
в) изобарный.
8. КПД тепловой машины равен 40%. Выберите правильное утверждение.
а) Q2 = 0,4 Q1;
б) Q2 = 0,6 Q1;
в) Q1 = 0,4 Q2.
9. К газу подводят 300 Дж тепла, при этом он, расширяясь, совершает 400 Дж работы.
Внутренняя энергия газа ...
а) уменьшается на 100 Дж;
б) уменьшается на 400 Дж;
в) возрастает на 100 Дж.
10. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя количество теплоты, равное 3
кДж, и отдает холодильнику 2,4 кДж. кпд двигателя равен ...
а) 20%.
б) 25%
г) 80%
Итоги теста (баллы, выставленные компьютером) учащиеся заносят в листок контроля.
8. Подведение итогов урока. Выставление оценок учащимся.
Домашнее задание. § 32, стр. 237-243 Достаточный уровень: задачи 17.52, 17.54. Высокий
уровень: задача 17.64
7
