Двигатель внутреннего сгорания. 8-й класс

Цель урока:

• рассмотреть физические принципы работы тепловых двигателей,

• воспитывать навыки бережного отношения к природе.

Ход урока

I. Подготовка к восприятию нового материала:

1. В каком случае про тело или систему взаимодействующих между собой тел говорят, что они обладают энергией?

2. Как связаны изменение энергии тела (или сиcтемы тел) и совершённая им работа?

3. Какие два вида механической энергии вы знаете?

4. Какую энергию называют кинетической? Потенциальной?

5. Приведите примеры превращения потенциальной энергии тела в кинетическую ; кинетической энергии - в потенциальную.

6. Дайте определение внутренней энергии тела.

7. Приведите примеры превращения механической энергии тела в его внутреннюю энергию.

8. Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии.

II. Изучение нового теоретического материала.

1. Историческая справка (сообщение ученика)

1698г. Томас Сэвери (английский инженер) создал машину, которая преобразовывала внутреннюю энергию в механическую (тепловой двигатель) , его использовали для откачки воды из угольных шахт.

1710г. Томас Ньюкомен (английский инженер) предложил пароатмосферный двигатель , в котором пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. Для возврата в нижнее положение его охлаждали, пар конденсировался, давление в цилиндре падало, и под действием атмосферного давления поршень опускался вниз. Затем цилиндр снова нагревали, чтобы заставить пар толкать поршень вверх. На всё это уходило много времени и, двигатель работал очень медленно и с низким КПД.

1766 г. Иван Иванович Ползунов. (русский изобретатель) разработал чертежи двухцилиндровой паровой машины. Для ее изготовления Ползунову пришлось сделать различные инструменты, токарный станок для обработки металла «на водяном ходу». При этом Ползунову удалось изготовить все детали паровой машины всего за 13 месяцев. Некоторые детали весили до 2720 килограммов.

Его машина должна была заменить водяной двигатель на заводе в Барнауле.

Из оборудования на заводе были только воздуходувные мехи и молоты для ковки металла. И их приводили в движение силой воды. Поэтому заводы строили на берегах рек. Если река становилась более мелководной, то производство останавливалось.

Иван Иванович Ползунов решил заменить водяной двигатель и ручной труд на «ог­ненную машину».

В 1765 году Ползунов разработал специальный поплавковый регулятор уровня в котле.

К сожалению, увидеть машину в работе Ползунову не удалось, он умер за два месяца до пуска машины в эксплуатацию, 27 мая 1766 года. Его паровая машина окупила себя всего за два месяца. К сожалению, после небольшой поломки хозяева машины не смогли ее починить.

1769 г. Джеймс Уатт (шотландский инженер) превзошёл своих предшественников и учителей. Он создал усовершенствованную паровую машину. В его двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как толь­ко поршень возвращался в свое исходное положение. Для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.

Паровые машины обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в «паровых» прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.

Паровые машины устанавливались на паровозы, пароходы.

2. Теоретический материал (ученики работают с текстом по плану, каждый пункт сопровождается слайдом.).

a) Название.

Двигатель внутреннего сгорания — очень распространенный вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

 б) Основные части.

Двигатель состоит из цилиндра 1, в ко­тором перемещается поршень 2, соединен­ный при помощи шатуна 3с коленчатым валом 4.В верхней части цилиндра имеется два клапана 5, которые при работе двига­теля автоматически открываются и за­крываются в нужные моменты. Через левый клапанв цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через правый клапан выпускаются отрао­тавшие газы.

в) основные понятия

Край­ние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода по­ршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными. Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

г) Физические принципы работы.

В цилиндре двигателя периоди­чески происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С, давление на поршень при этом резко возрастает. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая при этом механическую работу. При этом они охлаж­даются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя.

В начале первого такта поршень движется вниз.Объем над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение. Открывает­ся левый клапан и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого так­та цилиндр заполняется горючей смесью, данный клапан закрывается.

В начале второго такта поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. В конце второго такта, когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и взрывается.

В начале третьего такта, образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз, двигатель совершает работу. В конце третьего такта открывается правый клапан, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу.Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком.

В начале четвёртого такта поршень начинает двигаться вверх, благодаря инерции маховика. При этом выпуск продуктов сгорания продолжается. В конце четвёртого такта правый клапан закрывается. (

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска.

( Показ сопровождается рассказом учителя. (двумя кликами можно задерживать картинку на каждом такте работы двигателя.)

3. Тестирование. (Ученики отвечают на вопросы после предварительного обсуждения.)

4. Применение двигателей. (Ученики по желанию, рассказывают работу двигателя по предложенному слайду, затем перечисляют пользу и вред двигателя )

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность. 

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Польза двигателей несомненна. В настоящее время мощность всех двигателей на Земле составляет 1010 кВт. И пока она справляется, перерабатывая углекислый газ. Однако уже с мощностью в 1012 кВт ей не справится.

5. Защита окружающей среды от двигателей внутреннего сгорания.

В цилиндрах двигателя проходит окисление мелкораспыленного и испаренного топлива кислородом воздуха с образованием тепла, углекислого газа и воды. За тысячные доли секунды, отводимые на этот процесс, при каждом такте работы двигателя, часть топлива не успевает сгореть. Продукты его неполного сгорания выбрасываются в атмосферу из выхлопной трубы. Дизели выбрасывают еще и сернистый ангидрид 5О2, образующийся при горении топлива в цилиндрах. В США, Японии, а также России были установлены предельно допустимые нормы выброса для различных категорий автомобилей.

Из-за загрязнения изменяется климат. Ученые доказали, что изменение климата в XX в. является следствием повышения среднеглобальной приземной температуры воздуха (она повысилась примерно на 0,5 °С). В атмосфере возросла концентрация парниковых газов, углекислоты, метана, хлорфторуглерода, оксида азота. Молекулы этих газов поглощают тепловое излучение поверхности земли и частично направляют его обратно, создавая так называемый парниковый эффект. Из-за изменения климата исчезают и отдельные виды животных и птиц. Например, это случилось с реликтовой чайкой. Уже так много видов животных занесено в красную книгу!

Сейчас создаются различные движения. Гринпис - это экологическое движение, созданное в 1971 году. Его задача - охрана окружающей среды. Штаб-квартира находится в Америке. Гринпис не получает абсолютно никакого финансирования, а его огромный ежегодный бюджет складывается из частных пожертвований и взносов.

В разных ситуациях мы вспоминаем замечательные слова Б. Окуджавы, в том числе и при решении экологических проблем:

Возьмемся за руки, друзья! 
Возьмемся за руки, друзья, 
Чтоб не пропасть поодиночке.

Спасем Землю! Это может сделать каждый из вас.

III.Домашнее задание.

Ученики составляют памятку для людей, призывающую их спасти Землю.

Материалы :

1. А.А.Пёрышкин. Физика. Москва. ООО «Дрофа.», 2000 г.

2. В.А.Волков. Поурочные разработки по физике. Москва. «Вако» 2006 г.

3. В.А.Шевцов. Поурочные планы по учебнику А.В Пёрышкина. Волгоград. «Учитель»