Урок по физике на тему "Принцип действия теплового двигателя"

Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя.

Цели урока: 

Образовательные: 

§  Создать условия  для изучения  устройства и принципа работы тепловой машины;

§  Организовать деятельность студентов по изучению и применению знаний в различных ситуациях;

§  Создать условия для развития у студентов умение выделять главное, умение анализировать условие задачи, ее решение и полученный результат.

Развивающие:

§  Формировать у студентов мотивацию к изучению физики;

§  Развивать умение логического мышления, полноты и аргументированности высказываний, навыки выделения интегрированной связи физики с другими науками;

Воспитательные:

§  Воспитывать у студентов глубокое уважение к природе, науке, друг к другу;

§  Привить интерес к физике и расширить кругозор студентов.

Межпредметные связи: математика, устройство автомобиля.

Тип урока: урок получения новых знаний.

Применяемые технологии: проблемное обучение, информационно – коммуникационные, здоровьесберегающие.

Материалы и оборудование: модель ДВС, компьютер, проектор, экран, презентация, тест.

Формируемые ОК: ОК1, ОК2, ОК5, ОК6.

План урока.

1. Организация начала урока – 2мин

2. Актуализация знаний – 5 мин

 3. Изучение нового материала – 23 мин

4. Физкультминутка: выполнение гимнастики для глаз – 2 мин

 5.  Закрепление – 8 мин

  6. Рефлексия – 2 мин

  7. Подведение итогов – 1 мин

  8. Домашнее задание – 2 мин   

1.        Организация начала урока.

Проверка списочного состава обучающихся, психологический настрой.

2.        Актуализация знаний.

Преподаватель:  Прежде, чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним основные понятия, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока. Вам поможет кроссворд, ключевое слово которого имеет непосредственное отношение к теме сегодняшнего урока.

					1
2
3
				4
				5
					6
7
		8
		9

Вопросы:

1. Единица измерения энергии (джоуль).
2. Источник тепловой энергии (топливо).
3. Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).
4. Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).
5. Единица измерения мощности (ватт).
6. Величина, характеризующая степень нагретости тела (температура).
7. Один из видов теплопередачи (излучение).
8. Измеряется в паскалях (давление).
9. Единица измерения термодинамической температуры (Кельвин).

Преподаватель: Итак, ключевое слово «двигатель».  Но двигатели бывают разные, т.к. реализуют в своей работе превращение одного из  видов энергии в другой.  Какой же именно двигатель будем изучать сегодня?

Постановка проблемы. Проведение опыта: В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Что произойдёт? (Пробка выскочит). Почему это произошло? (Тепловая энергия перешла во внутреннюю энергию пара, а пар совершил работу).

Преподаватель:  Итак, тема урока «Тепловые двигатели». Как вы думаете, что мы должны узнать о тепловых двигателях? (Устройство, виды двигателей, принцип работы).

3.      Изучение нового материала

Внутренняя энергия представляет собой один из самых дешёвых видов энергии. Её можно получить, например,  сжигая разнообразные виды топлива, чтобы затем за счёт неё совершить полезную работу. Превращение внутренней энергии в механическую очень важно для практической деятельности людей, для развития техники. Осуществляется такое превращение с помощью тепловых машин, называемых иначе тепловыми двигателями. 

Тепловыми двигателями называют машины, в которых энергия топлива превращается в механическую энергию и за счёт неё совершается работа.

Существует несколько видов тепловых двигателей.



Во всех этих двигателях энергия топлива переходит в энергию газа или пара, газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Простейший тепловой двигатель представляет собой металлический цилиндр. К стенкам цилиндра плотно пригнан поршень, который может двигаться вдоль цилиндра. В нём внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня. Такой двигатель был изобретён в конце XVII века и в дальнейшем усовершенствован.
        В настоящее время известно множество разнообразных видов тепловых двигателей. Однако все они имеют в основе общий принцип действия. 
Во всех двигателях энергия топлива сначала переходит во внутреннюю энергию газа или пара, нагретых до высокой температуры. Расширяясь, газ совершает работу против внешних сил и при этом охлаждается. При этом уменьшается его внутренняя энергия. Это означает, что часть его внутренней энергии превращается в механическую работу, например, по вращению вала турбины, движению поршня или какого-либо механизма. Оставшаяся часть внутренней энергии газа, не превращённая в механическую энергию, передаётся окружающей среде, которая играет роль охладителя и называется холодильником.
          Таким образом, в конструкции всех тепловых двигателей можно выделить три основные необходимые части: нагреватель, в котором освобождается энергия топлива; рабочее тело, которым является пар или газ; холодильник, который забирает оставшееся неиспользованное количество теплоты.

Схема действия тепловых двигателей.

Из всех существующих двигателей мы рассмотрим ДВС. Как вы думаете, почему

двигатель называют ДВС?
       Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя. ДВС – работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.
Рассмотрим модель ДВС в разрезе. 

Двигатель состоит из цилиндра1 , в котором, перемешается поршень2, соединенный посредством шатуна 3, с коленчатым валом4. На валу укреплен тяжелый маховик 5, предназначенный для уменьшения неравномерности вращения вала. В верхней части цилиндра имеется два клапана 6 и 7, которые открываются и закрываются механически при помощи распределительного вала, свеча 8. Через  впускной клапан  поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через выпускной клапан выпускаются отработавшие газы. В таких двигателях постоянно происходит сгорание горючей смеси (пары бензина и воздуха). При сгорании этой смеси образуются газы, температура которых порядка 1600-1800 ⁰С.
А теперь более подробно рассмотрим схему работы такого двигателя (анимация) https://ekabu.ru/69121-poznavatelnaya-animaciya-mehanizmov-i-ustroystv.html.

1такт - впуск: при повороте вала поршень опускается вниз. Объём над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение, впускной клапан  открывается и в цилиндр входит горючая смесь. В конце такта цилиндр заполняется горючей смесью и впускной клапан  закрывается.

2 такт - сжатие: при дальнейшем повороте вала поршень начинает двигаться вверх и сжимает горючую смесь, когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь возгорается от электрической искры и быстро сгорает.

3 такт - рабочий ход: образующиеся при сгорании смеси газы давят на поршень, и он движется вниз. В этом случае двигатель совершает работу. Этот такт называется рабочим ходом. Во 2 и 3 тактах оба клапана закрыты.

4 такт - выпуск: в конце 3 такта выпускной клапан  открывается и через него продукты сгорания выходят в атмосферу. В течение такта поршень движется вверх. В конце такта выпускной клапан  закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из 4 тактов. Давайте вспомним их ещё раз.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Цикл двигателя: 
Впуск.  Сжатие. Рабочий ход. Выпуск. 

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем равна: А' = Q₁ - Q₂,  где Q₁ – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q₂ - количество теплоты, отданное холодильнику.
Рассматривая работу теплового двигателя, мы с вами должны понимать эффективность системы, т.е. эффективность устройства машины. Как вы думаете, что является характеристикой эффективности устройства машины? (КПД).
Коэффициент полезного действия (КПД) обозначается обычно η («эта»). 
КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение рабо­ты A', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1. КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T₁ – T₂ = 0 двигатель не может работать.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

Суть  этой  формулы  выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

4.      Физкультминутка: выполнение гимнастики для глаз «Танец бабочек».

5.      Закрепление. Тестирование.

Вариант 1

1. КПД тепловой машины равен 20%. Это означает, что от энер­гии, выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 20% идет на совершение полезной работы;

2) 80% идет на совершение полезной работы;

3) 20% преобразуется во внутреннюю энергию пара;

4) 20% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В двигателе внутреннего сгорания

1) механическая энергия полностью превращается во внутреннюю;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в ме­ханическую;

3) механическая энергия частично превращается во внутреннюю;

4) внутренняя энергия топлива частично превращается в меха­ническую энергию.

3. Какие двигатели из перечисленных ниже называют тепловыми?

A. Двигатель внутреннего сгорания. Б. Паровая турбина.

B. Реактивный двигатель.

1) Только А. 3) Только В.

2) Только Б. 4) А, Б и В

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, газы, об­разовавшиеся при сгорании горючей смеси, давят на поршень и тол­кают его. Как называется этот такт?

1) Выпуск.

2) Рабочий ход.

3) Впуск.

4) Сжатие.

5. Напишите названия частей двигателя внутреннего сгорания.

Вариант 2

1. КПД двигателя внутреннего сгорания равен 40%. Это означа­ет, что от энергии, выделившейся при полном сгорании топлива,

1) 40% идет на совершение полезной работы;

2) 60% идет на совершение полезной работы;

3) 40% преобразуется во внутреннею энергию пара;

4) 40% преобразуется во внутреннюю энергию деталей.

2. В тепловой машине...

1) механическая энергия полностью превращается во внутрен­нюю энергию;

2) внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую энергию;

3) внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию;

4) механическая энергия частично превращается во внутрен­нюю энергию.

3. Расширяясь, газ может совершить работу и при этом охла­диться. В каком из названных ниже двигателей используется это явление?

A. Реактивный двигатель. Б. Паровая машина.

B. Двигатель внутреннего сгорания.

1) Только в А.

2) Только в Б.

3) Только в В.

4) Во всех трех перечисленных двигателях.

4. В двигателе внутреннего сгорания клапаны закрыты, поршень движется, сжимая горючую смесь. Как называется этот такт?

1) Выпуск.

2) Рабочий ход.

3) Впуск.

4) Сжатие.

5. Напишите названия частей двигателя внутреннего сгорания.

6.      Рефлексия

1 такт  - я пассивно слушал (синий квадрат)

2 такт – я ничего не понял (чёрный квадрат)

3 такт – я не все понял (зелёный квадрат)

4 такт – я все понял (красный квадрат)

При выходе из кабинета  оставьте один такт, который к вам подходит на своем рабочем месте.

  7. Подведение итогов.

  8. Домашнее задание. На ваших столах список слов. Ваша задача составить вопросы к этим словам,  используя конспект, учебник по физике  и сети Internet.

Слова: ДВС, газ, Бенц, клапан, кпд, Карно, Ползунов, турбина, паровоз.

Список используемых источников:

1. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образоват. учреждений нач. сред. проф. образования – 4-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014.-448 с.

2.    Касьянов В., «Физика-10», Москва, Дрофа, 2007 год;

3.    С. В. Беляев, В. В. Беляев Топлива для современных и перспективных автомобилей, учебное пособие, Петрозаводск, ПЕТРГУ, 2005 год;

4.    А. Гин «Приемы педагогической техники», пособие для учителя, Москва, изд-во «Вита-Пресс», 2002 год;

5.    http://class-fizika.ru/8_17.html

Краткое описание документа:

• Цели урока: Образовательные: Создать условия для изучения устройства и принципа работы тепловой машины;
• Организовать деятельность студентов по изучению и применению знаний в различных ситуациях;
• Создать условия для развития у студентов умение выделять главное, умение анализировать условие задачи, ее решение и полученный результат.

Развивающие:

• Формировать у студентов мотивацию к изучению физики;
• Развивать умение логического мышления, полноты и аргументированности высказываний, навыки выделения интегрированной связи физики с другими науками;
• Воспитывать у студентов глубокое уважение к природе, науке, друг к другу;
• Привить интерес к физике и расширить кругозор студентов.

Воспитательные:

• Воспитывать у студентов глубокое уважение к природе, науке, друг к другу;

Межпредметные связи: математика, устройство автомобиля.

Тип урока: урок получения новых знаний.

Применяемые технологии: проблемное обучение, информационно – коммуникационные, здоровьесберегающие.