Урок по теме: «Тепловые двигатели»
Подготовила:
учитель физики Данилкова С.П.
Тип урока: урок -исследование.
Образовательная: рассмотреть устройства и принципы действия различных двигателей; показать области их применения, выявить проблемы, возникающие при их эксплуатации;
2. Развивающая: развивать экспериментальные навыки учащихся, развивать умения излагать и высказывать свое мнение; содействовать формированию навыков сравнения, обобщения, логического мышления, поддерживать интерес к предмету.
3. Воспитательная: показать значение тепловых двигателей в жизни человека; объяснить принцип действия тепловых и других видов двигателей, рассмотреть, в чем заключается вредное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и здоровье человека; выяснить пути охраны окружающей среды.
Оборудование: компьютер, проектор, экран, презентация темы в электронном виде, модели тепловых двигателей, микроволновая печь, воздушный шарик, воронка, свеча, бутылка, металлическое сито, зажигалка или спички, воздушный шарик, прищепка, липкая лента, соломинка для коктейля.
Подготовка: учащиеся разделены на три группы: физики-экспериментаторы, физики-теоретики и физики-эксперты. Физики-экспериментаторы готовят эксперименты, демонстрирующие принцип работы того или иного двигателя, физики-теоретики готовят в доклады о том, когда и как был придуман двигатель (допускается использование своих презентаций), а физики-эксперты дают оценку происходящему и делают вывод.
Ход урока
1. Орг. момент. Объявляется тема урока. Ставятся цели урока. Разъясняется форма проведения урока.
2. Вступительное слово учителя. (Слайд 1)
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. Все тепловые двигатели работают на различном топливе. Каком? Использовать внутреннюю энергию топлива – значит совершать за счет нее полезную работу. Тепловые двигатели – устройства, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. На этом уроке мы должны с вами разобраться какие виды двигателей существуют, какие из них имеют наиболее высокие КПД, и, наконец, какие двигатели самые безопасные для окружающей среды. У вас на столах имеются таблицы, которые вы должны заполнить в течение урока.
Паровая машина (Слайд 2)
Учитель: Можно ли надуть воздушный шарик без воздуха?
Учащийся проводит эксперимент: нам понадобится
Микроволновая печь
Воздушный шарик
Воронка
Столовая ложка воды
Вставим горлышко воронки в горловину шарика, выльем туда столовую ложку воды и завяжем шарик. Положим его в микроволновую печь, выставим максимальную мощность и заведем таймер на 1 минуту. Выключим печь.
Что произойдет ?
Шарик начнет увеличиваться, будто кто-то надувает его изнутри. В конце концов, он упрется в стенку микроволновки и перестанет расти. Если открыть дверцу и вынуть шарик, то он начнет остывать и сдуваться. Дотрагиваться или брать шарик в руки нужно осторожно, так как он нагрет до температуры более 100 ºС.
Учитель: Как это объяснить?
2-й учащийся -эксперт
Микроволны нагревают воду, и только резиновые стенки шарика остаются холодными. Нагревшись до 100 ºС, вода начинает сильно расширяться и превращается в пар. Водяной пар занимает в 1700 раз больше места, чем жидкая вода. Вот почему надулся наш шарик.
Энергию, необходимую на подогрев воды, дает микроволновка. Она превращает электроэнергию в электромагнитные волны, а те заставляют двигаться молекулы воды с огромной скоростью. Так выделяется тепло, и вода нагревается.
Где это применяется? 3-й учащийся -теоретик
Пар, полученный благодаря микроволнам, совершает работу: надувает шарик. По тому же принципу работает и паровая машина, которую построил британский инженер и изобретатель Джеймс Ватт(1736- 1819) в 1765 году. В котле машины кипит вода на горящем угле. Полученный пар совершает работу, двигая туда-сюда поршень сложного механизма. С помощью кривошипа и маховика возвратно-поступательное движение превращается в круговое движение. Так приводились в движение разные машины: пароходы, трактора, паровозы и другие промышленные механизмы. Паровая машина это мотор так называемой промышленной революции XYIII-XIX веков. Впервые промышленность научилась производить много дешевого товара, а так же перевозить его на пароходах по рекам. На борту судна установлена паровая машина, которая приводит в движение огромные лопастные колеса, расположенные по бокам. Механизм работает как водяная мельница, только наоборот: не проточная вода крутит колесо, а само колесо крутится, отталкиваясь от воды словно веслами.
Двигатель внутреннего сгорания (Слайд 2)
4-й Учащийся проводит эксперимент: нам понадобится
Спиртовка
Свеча
Пробирка с водой и пробка
Нальем в пробирку воды, плотно закроем пробкой. Зажжем свечу и будем греть воду в пробирке. Через некоторое время вода закипит и пар вытолкнет пробку.
Что произойдет? 5-й учащийся -эксперт
При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Мы опять видим работу пара. Но пробка теперь находилась в цилиндрическом сосуде и сама играла роль поршня.
Где это применяется? 6-й учащийся - теоретик
ДВС широко используются во всех отраслях народного хозяйства: устанавливаются на тракторах, комбайнах, автомобилях, автобусах, тепловозах, ими оснащены речные и морские суда.
Тепловые двигатели оказывают огромное воздействие на окружающую природу. О плюсах и минусах тепловых двигателей расскажет эколог. (доклад ученика, презентация "Тепловые двигатели и окружающая среда")
Кроме видимых недостатков тепловые двигатели имеют много достоинств: надежность, долговечность, простота обслуживания, возможность длительных перегрузок. Специалистами ведутся работы в области уменьшения вредного воздействия на окружающую среду, уменьшения токсичности, шума.
Использование ветра в механизмах. Эффект Магнуса для потоков.
Учитель: Можно ли использовать другие виды энергии при работе двигателей? (Слайд 3)
7-й Учащийся проводит эксперимент: нам понадобится
Зажжем свечу и подождем, пока она разгорится. Установим ее примерно в 30 см от себя. Перед свечой поставим бутылку. Теперь представим, что свечи нет, но мы хотим задуть свечу. Дуть нужно достаточно сильно.
Что произойдет?
Пламя задрожит и погаснет. Кажется, словно препятствия в виде бутылки и вовсе нет. Главное, чтобы свеча стояла с «подветренной» стороны. Чтобы эксперимент удался необходимо подобрать расстояние между свечой и бутылкой.
8-й учащийся - эксперт
Как это объяснить?
Бутылка не такая уж непреодолимая преграда, как кажется. Бутылка круглая и потоку воздуха нетрудно обойти ее. Перед бутылкой поток разделяется, обтекает ее с двух сторон, а потом снова соединяется и может потушить свечу. То же самое с ветром: круглая труба не создает ему преграды.
Где это применяется ?
9-й учащийся - теоретик
В 1924 году немецкий инженер Антон Флеттнер (1885-1961) установил на корабле два высоких столба, так называемые роторы Флеттнера. От дуновения ветра столбы вращались со скоростью до 60 оборотов в минуту. В результате с одной стороны создавалось повышенное давление, а с другой – пониженное и корабль двигался. Так корабль без парусов использовал энергию ветра. В основе изобретения Антона Флеттнера – эффект Магнуса для потоков, который действует не только в воздухе, но и в воде.
Слабое сопротивление потоку воздуха и хорошая обтекаемость необходимы скоростному транспорту. Поэтому автомобили, поезда и самолеты тестируют на обтекаемость в аэродинамической трубе. Лучше всего воздух обтекает предметы в форме лежащей капли. Современные автомобили делают как можно более обтекаемыми это экономит затрачиваемое топливо!
Дизельный двигатель
Учитель: Кроме двигателя внутреннего сгорания наиболее распространенным является так же дизельный двигатель. Каковы основные принципы его работы?
10-й Учащийся проводит эксперимент: нам понадобится
Свечка
Металлическое сито
Спички
Зажжем сечку и дадим ее время разгореться. Возьмем металлическое сито, перевернем его отверстием вниз. Накроем ситом пламя свечи до середины.
Что произойдет ?
Сито будто обрезало пламя, теперь оно горит только под сеткой, а хвоста у пламени нет. Над ситом поднимается дымок. Стоит поджечь этот дымок спичкой, и пламя вспыхнет над ситом. То есть иы заново подожгли горящую свечу.
11-й учащийся – эксперт
Как это объяснить?
В пламени свечи горит не сам парафин, а его пары. Они выделяются, когда расплавленный парафин поднимается по фитилю и испаряется из-за высокой температуры. Температура воспламенения этих паров – около 200 ºС. Сито из металлической проволоки отнимает много тепла, пламя свечи охлаждается и уменьшается в размерах. А пары парафина продолжают подниматься над ситом, но их температура ниже точки воспламенения. Однако если их снова поджечь, то они воспламенятся.
12-й учащийся - теоретик
Где это применяется ?
Каждый материал горит при определенной температуре. Дизельное топливо загорается при 55 ºС, а при температуре 220 ºС дизельное топливо вспыхивает само собой. По этому принципу работает дизельный мотор ( назван в честь инженера Рудольфа Дизеля, 1858-1913).
Поршень вталкивает в цилиндр мотора смесь дизельного топлива и воздуха. Смесь, находящаяся под давлением, нагревается до 900 ºС и взрывается. Взрыв выталкивает поршень из цилиндра и тот при помощи карданного вала приводит в движение колеса. В дизельных моторах вместо свечей зажигания используются свечи накала, которые разогревают мотор, чтобы тот завелся.
Реактивный двигатель
Учитель: А знаете ли вы, что обычная медуза использует тот же принцип передвижения, что и ракета, летящая в космос?
13-й учащийся проводит эксперимент: нам понадобится
Воздушный шарик
Бельевая прищепка
Липкая лента
Соломенка для коктейля
Несколько метров нитки
Проденем нитку через соломинку. Натянем нитку между двух стульев. Надуем шарик и зажмем отверстие прищепкой, что бы воздух не выходил. Нужно немного закрутить горловину, а потом зажать. Приклей шарик липкой лентой к соломинке, расположив горловину параллельно нитке. Передвинем шарик на соломинке к тому концу нитки, куда смотрит горловина. Снимем прищепку.
Что произойдет?
Едва мы снимем прищепку, шарик умчится по нитке на другой конец. Он будет вращаться вокруг нити и сдуваться.
Как это объяснить?
14- учащийся эксперт
Ракета-шарик движется по тому же принципу, что и настоящая космическая по принципу отдачи. Вырываясь назад, воздух толкает ракету вперед. «Топливо» находится внутри шарика, как у настоящей ракеты. Воздух выходит – возникает отдача. Кроме того выпуская струю воздуха, шарик отталкивается от окружающего воздуха. В безвоздушном пространстве такой дополнительной тяги нет.
Где это применяется ?
15-й учащийся - теоретик
Для получения максимальной отдачи ракета должна выбросить как можно больше вещества с максимальной скоростью. Из сопла космической ракеты газы вырываются со сверхзвуковой скоростью. При сжатии твердого и жидкого топлива выделяются газы. Им требуются куда больше места, чем топливу, поэтому они с силой вырываются из сопла ракеты.
Лодка тоже передвигается за счет энергии отдачи: гребцы отталкиваются веслами от воды. Теоретически, сидя в лодке и бросая назад тяжелые камни, можно сдвинуться с места за счет энергии отдачи.
Экологические проблемы.
Учитель: Как вы считаете, существуют ли проблемы при использовании двигателей? И какие двигатели наиболее безопасны для окружающей среды?
16- учащийся - эколог
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.
7. Выставление оценок.
8. Домашнее задание написать заметку « двигатель будущего»
9. Рефлексия.
Прежде чем покинуть класс просьба сдать таблицу.
