План – конспект открытого урока по общеобразовательной учебной дисциплине «Физика». Тема урока: «Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей» (1о класс)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

АВТОНОМНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ АМУРСКОЙ ОБЛАСТИ

«АМУРСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

(ГПОАУ АТК)

План – конспект

открытого урока по общеобразовательной учебной дисциплине «Физика».

Тема урока: «Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей»

                                       Разработала: Монашова Елена Федоровна

Свободный

2023 г.

Тема «Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей».

Цель урока: - создать условия для формирования понятия «тепловой двигатель», изучения его принципа действия, формирования представлений о применении тепловых двигателей в технике;

-     вычислять значения КПД теплового двигателя в конкретных ситуациях;

- способствовать развитию знаний обучающихся по теме «Основы термодинамики».

Ход урока:

1.Организационный момент.

2. Актуализация: (показ слайдов).

Комментарии и вопросы преподавателя:

1)    На слайде изображены различные технические устройства: автокран, автомобиль, трактор, самолет, ракета и т.п. Что у них общее?

Ответ: Двигатель.

2)    Для чего человеку нужны двигатели?

Ответ: Двигатели создают движение, т.е. совершают работу.

Двигатели позволяют человеку быстро перемещаться на земле, на воде и в воздухе, поднимать и перевозить тяжелые грузы, пахать, косить, пилить и т.д. Двигатели берут значительную часть работы человека на себя.

3)     Что же такое двигатель? Прочитаем определение двигателя, даваемое в энциклопедическом словаре:

Дви́гатель (нем. Motor) — устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу.

4)    На слайде изображена ветряная мельница. Можно ли её считать двигателем? Какие преобразования энергии происходят?

Ответ: Ветряная мельница – это двигатель. Энергия ветра преобразуется в механическую работу, т.е. вращение крыльев.

5)    На слайде изображено огнестрельное оружие – пушка. Можно ли её считать двигателем? Какие преобразования энергии происходят?

Ответ: Пушка – это двигатель. В пушке сгорает порох. Энергия пороховых газов преобразуется в механическое движение ядра.

Преподаватель:  Сегодня на уроке мы будем рассматривать двигатели, подобные пушке. Это самый распространенный вид двигателей - тепловые двигатели. Тепловые двигатели  используют энергию топлива.

3.Тема урока: «Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей» (объявляет преподаватель).

4. Целеполагание:

Преподаватель: На какие вопросы мы должны ответить, изучая тему «Тепловые двигатели»?    

         Ответы обучающихся:

         - что такое тепловой двигатель;

         - принцип действия;

         - КПД теплового двигателя;

         - примеры и применение;

          - тепловой двигатель и охрана окружающей среды.

5.Изучение нового материала:

При изучении нового материала используются слайды.

Преподаватель: Что такое тепловые двигатели?

Ответ: Это устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Преподаватель: Приведите примеры современных тепловых двигателей.

Ответ: паровая машина, ДВС, паровые и газовые турбины, реактивный двигатель.

Проблематизация:

Преподаватель: В нашем распоряжении: пробирка, пробка, спиртовка, штатив, стакан с водой. Создайте простейший тепловой двигатель.

Ответ: В пробирку налить воды, закрыть пробкой. Закрепить пробирку в штативе. Нагревать воду спиртовкой. Пробка вылетит.

Преподаватель: Данный тепловой двигатель является одноразовым (демонстрация слайда).

В реальных двигателях осуществляется замкнутый процесс (цикл).

Преподаватель: Как можно усовершенствовать одноразовый двигатель, чтобы он мог работать циклично?

Ответ: Заменить пробирку на металлический цилиндр. В цилиндр вставить поршень.

Преподаватель: Как можно заставить поршень совершать возвратно – поступательное движение?

Ответ: Периодически нагревать и охлаждать газ в цилиндре.

Преподаватель демонстрирует слайд, иллюстрирующий замкнутый цикл.

Преподаватель: Перейдем к рассмотрению вопроса «Принцип действия теплового двигателя.

Объяснение преподавателя:

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

1.     Нагреватель – тело с высокой температурой ( топливо).

Q₁ – количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива.

T₁ – температура нагревателя.

2.     Рабочее тело – газ, пар.

3.     Охладитель (холодильник) – тело с низкой температурой (воздух, вода).

Q₂ – количество теплоты, которое передается холодильнику.

T₂ – температура холодильника.

А_{полезная} – это механическая работа, ради которой создан двигатель.

Выполняется рисунок на доске:

Запишем, применительно к тепловому двигателю, закон сохранения энергии:

Q₁ = А_{полезная} + Q₂ ;           Отсюда: А_{полезная} = Q₁ - Q₂ ;

Приведем пример работы теплового двигателя: демонстрируется модель ДВС и таблица «Четырехтактный ДВС». Обучащимся предлагается вспомнить, какие этапы осуществляются при работе ДВС.

Преподаватель:  Рассмотрим вопрос «КПД теплового двигателя»

h - коэффициент полезного действия теплового двигателя.

h =  ;        h =  ;        h_max =  ;

h < 1;    h < 100%.

 Преподаватель: Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и ученый Сади Карно в труде « Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», 19 век. Сади Карно на тот момент было 28 лет. Карно разработал такой цикл работы теплового двигателя, при котором будет достигаться максимально возможный КПД.

Преподаватель демонстрирует таблицу: «КПД тепловых двигателей».

КПД тепловых двигателей

Двигатель	КПД ,%
Паровая машина	3-15
Паровоз	8
Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания (ДВС)	30
Дизельный двигатель внутреннего сгорания (ДВС)	40
Газовая турбина	30
Паровая турбина	40
Реактивный двигатель	30

Преподаватель: КПД бензинового ДВС равен 30%. Что это означает?

6.Закрепление.

Задание 1: Решение задач с выбором ответов по материалам учебника (Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский, Физика -10. §88).

 (у доски разбор задач № 2, №5):

Задача №2.  Рабочее тело тепловой машины получило количество теплоты, равное 70 кДж. При этом холодильнику было передано количество теплоты, равное 52,5 кДж. Чему равен КПД такой машины?

Ответ:25%

Задача №5. Горячий пар поступает в турбину при температуре 500°С, а выходит из нее при температуре 30°С. Чему равен КПД турбины?

Ответ:61%

 Вопрос преподавателя: Какие экологические проблемы связаны с массовым использованием тепловых двигателей?

Заслушиваются возможные ответы обучающихся.

Задание 2: Посмотреть презентацию «Виды  и применение тепловых двигателей». (Обучающиеся демонстрируют заранее подготовленную презентацию.

Задание №3:  Прочитать материал «Охрана окружающей среды».

Кратко сформулировать и выписать в тетрадь основные экологические проблемы.

Ответ:- уменьшение содержания кислорода в воздухе;

           - загрязнение атмосферы продуктами сгорания топлива;

           -повышение содержания углекислого газа, «парниковый эффект», нарушение теплового баланса;

           -использование пресной воды для охлаждения двигателей, её «тепловое загрязнение».

Задание 4:  Скоростной опрос по пройденной теме «Лучше всех» (какой ряд даст больше правильных ответов)

Вопросы: 

1.Какое устройство называют тепловым двигателем?

2.Приведите примеры тепловых двигателей.

3. Из каких элементов состоит тепловой двигатель?

4.Какова роль нагревателя?

5.Какова роль рабочего тела?

6. Какова роль холодильника?

7.Что называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя?

8. КПД дизельного двигателя 40 %. Что это означает?

9. Где применяются тепловые двигатели?

10. Назовите имена создателей первых тепловых двигателей.

11. В чем состоит отрицательное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду?

12.Какие методы защиты окружающей среды используют в настоящее время?

Ответ:

-обеспечение более полного сгорания топлива;

-использование очистительных фильтров;

- поиск и применение чистого горючего (водород (выхлопные газы состоят из безвредных паров воды), спирты, очищенный природный газ);

- использование альтернативных источников энергии (ветер, солнечное излучение, ядерная энергия).

8. Рефлексия:

Оцени себя сам: была ли достигнута цель урока?

(Студентам предлагается провести самооценку усвоения материала, изученного на уроке.)

Основные вопросы:	Самооценка
что такое тепловой двигатель
принцип действия теплового двигателя
КПД теплового двигателя
примеры и применение
тепловой двигатель и охрана окружающей среды

Преподаватель выставляет оценки за работу на уроке.

9. Домашнее задание.

Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский, Физика -10. §88.

Ответить на вопрос: Как можно повысить КПД теплового двигателя?

Решить задачу : t₁ =600°С,  t₂ = - 40°С, определить КПД теплового двигателя.

Применение тепловых двигателей.

(текст для озвучивания презентации)  

1) Тепловые двигатели появились в начале 18 века, в период интенсивного развития промышленности.

    Паровая машина – это тепловой двигатель, в котором энергия горячего водяного пара преобразуется в движение поршня, а тот, в свою очередь, вращает вал.

    В России первая паровая машина была построена по проекту механика Ивана Ивановича Ползунова. Проработала машина всего два месяца. Из-за поломки она перестала действовать, и была демонтирована.

   Изобретателем первой паровой машины считается английский изобретатель Джеймс Уатт. Его машина нашла широкое применение в промышленности и на транспорте. В честь этого человека названа единица мощности Ватт.

   Паровые машины устанавливались на паровых повозках, пароходах и паровозах.

   В России первый паровоз был построен крепостными мастерами- самоучками отцом и сыном Черепановыми.

Двигатель внутреннего сгорания — разновидность теплового двигателя, в котором топливная смесь сгорает непосредственно в рабочей камере внутри двигателя.

   Различают карбюраторные (бензиновые) и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

   Они устанавливаются на автомобилях, автобусах, мотоциклах. Широко применяются в строительной  и сельскохозяйственной технике (бульдозеры, экскаваторы, тракторы, комбайны), на воздушном транспорте (самолеты, вертолеты),  в военной технике.

Паровая (газовая) турби́на – это тепловой  двигатель, в котором пар (газ) давит на лопатки и вращает вал.

    Первую в мире газовую турбину сконструировал русский инженер и изобретатель  Павел Дмитриевич Кузьминский. 

   Паровые и газовые турбины применяются на электростанциях для получения электрического тока. Они вращают ротор генератора тока.

   Турбовинтовые двигатели применяются на водном  и  воздушном транспорте.

Реактивный двигатель – это тепловой двигатель, из которого  с большой скоростью выбрасывается  горячий  газ, создавая  силу тяги, направленную в противоположную сторону. 

Реактивные двигатели подразделяются на воздушно- реактивные и ракетные двигатели.

Воздушно - реактивные двигатели пропускают через себя атмосферный воздух. Они устанавливаются на крылатых ракетах и реактивных самолетах.

Ракетные двигатели не используют атмосферный воздух.

Конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем впервые предложил русский учёный-самоучка Константин Эдуардович Циолковский.