Конспект урока "Принципы действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей" 10 класс

Урок­презентация «Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловых двигателей» Тема   урока:  «Принципы   действия   тепловых   двигателей.   КПД   тепловых двигателей». Место   урока   в   учебном   плане:   урок   завершает   изучение   темы   «Основы термодинамики» по программе УМК «Физика 10 класс»  (Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский)  Тип урока: урок изучения нового материала Ведущая   идея   урока:  продолжить   формирование   политехнического восприятия     целостности   окружающего   мира   через   связь   науки   и истории. Главная   дидактическая   цель   урока:  объяснить   принцип   работы   тепловых двигателей. Задачи урока:   Образовательные:  дать учащимся историческую справку о создании тепловых двигателей,  показать взаимосвязь развития науки и общества;  показать  вклад  русских изобретателей и ученых в создании и развитии  тепловых двигателей;  раскрыть роль и значение тепловых двигателей в современном мире;  познакомить учащихся с принципом действия тепловых двигателей;  продолжить работу над понятием модели, использование модели в  физике 1 Развивающие:  развивать умение анализировать, выделять главное, выдвигать гипотезы, делать выводы;  развивать умение самостоятельного поиска информации;  развивать познавательную деятельность учащихся;  развивать навыки самооценки. Воспитательные:   воспитывать культуру общения  воспитание патриотизма Интеграционные связи: а) внутрипредметные законы термодинамики б) межпредметные литература, история Метапредметное понятие: модель Необходимое оборудование:  сигнальные карточки (зеленые с одной стороны, белые с другой)  для каждого ученика  лист самооценки  презентация   Предварительная подготовка учащихся к уроку: Найти   ответы   на   вопросы   (у   каждого   ученика   перед   началом   урока приготовлен листок с ответами мини­викторины): 1 Первый русский изобретатель паровой машины 2 2 3 4 5 Как назывался первый русский пароход Изобретатели первого русского паровоза Изобретатель первого русского самолёта Кого называют «отцом русской космонавтики» Этап 1. Организационный Дидактическая задача: мобилизация учащихся на урок Деятельность педагога: проследить за готовностью учеников к началу урока  Деятельность учащихся: подготовить необходимое к уроку (учебник, тетрадь, дневник, письменные принадлежности, листок с ответами викторины) Показатель результатов: готовность учеников к уроку     Этап 2 Актуализация знаний Дидактическая задача: настроить учащихся на работу на уроке, вспомнить ранее изученный материал, необходимый к уроку. Метод: задания с выбором ответа Форма организации: фронтальная Для начала вспомним то, о чём мы говорили на прошлых уроках. Вам будут представлены утверждения. Ваша задача – оценить их справедливость. Будете использовать карточки, которые есть на вашем столе. Если вы согласны с утверждением,   то   показываете   мне   карточку   зеленой   стороной,   если   не согласны – белой. Карточки нужно поднимать по команде.   (Слайд 2) Вопросы учителя Возможные ответы  учащихся 1. Внутренняя   энергия   газа 1. Да 3 изменяется   при   теплопередаче и совершении работы.    2. Количество теплоты, переданное   системе,   идет   на   изменение   ее   внутренней энергии и работу внешних сил. 3. Газ   может   совершать   работу при любых происходящих с ним процессах. 4. В   природе встречаются процессы  передачи  теплоты  от   более   холодного   тела   более горячему. 2. Нет,   количество   теплоты, переданное   системе,   идет   на изменение   ее   внутренней энергии и  совершение  работы самой системы над внешними телами. 3. Нет,   при   изохорном   процессе газ работу не совершает. 4. Нет,   невозможно   перевести теплоту   от   более   холодной системы   более   горячей   при отсутствии других изменений в   системах обеих или окружающих   телах.   (II  закон   5. Можно   говорить,   что   система термодинамики) обладает   внутренней   энергией, но   нельзя   сказать,   что   она обладает определенного     запасом количества теплоты или работы. 5. Да,   система   всегда   обладает внутренней энергией, теплота и работа   –   характеристики изменения внутренней энергии. У вас на столах есть лист самооценки. (Приложение 1) Посчитайте сколько правильных   ответов   вы   дали   и поставьте результат.  Выставление самооценки.   балла   в   лист 4 Чтобы перейти к теме урока прослушайте отрывок из повести Валентина  Катаева «Белеет парус одинокий». (Приложение 3) (Зачитать отрывок  можно попросить одного из учеников) (Слайд3) Так автор описывает машинное отделение парохода «Тургенев». А мы сегодня будем говорить о тепловых двигателях.  Тема урока: «Тепловые двигатели»  Показатель результатов: внимание, активность, ответы учеников Этап 3 Изучение нового материала 3.1Исторический обзор Дидактическая задача: рассмотреть историю развития тепловых  двигателей, показать взаимосвязь развития науки и общества, раскрыть  роль и значение тепловых двигателей в современном мире. Метод: Объяснительно­иллюстративный, частично­поисковый Форма организации: фронтальная Обратимся к истории создания теплового двигателя. По ходу моего рассказа проверьте правильность ответов на вопросы домашней викторины. Деятельность педагога Деятельность учащихся Рассказ с элементами беседы.  Запасы внутренней энергии огромны.  Очень важно умело и грамотно  Включаются   в   беседу,   проверяют домашнее задание. 5 использовать ее. Что значит использовать  внутреннюю энергию?  Что же такое тепловой двигатель? Попробуйте дать определение. (Слайд 4)  Использовать внутреннюю энергию –  значит совершать за счет нее работу. Устройства (машины), в которых  внутренняя энергия топлива  превращается в механическую  энергию, называют тепловыми  Создать тепловой двигатель не так уж двигателями. и сложно. Интересно, что первую  паровую машину изобрел  Герон  Александрийский 2 тысячи лет назад.  С ее помощью открывали двери  храма. (Слайд 5) Полтора   тысячелетия   изобретения   Герона   были   всего   лишь   забавной игрушкой,   и   только   в   XVII  в.   ученые   задумались   о   возможности практического применения тепловой энергии. (В чем, на ваш взгляд,  причина такой «забывчивости»?) (Что происходило в странах западной Европы в XVII – XVIII веке?) Изобретение парового двигателя в Англии во второй половине XVII в. стало началом промышленной революции. Изобретатели    Нового времени решали практическую задачу ­  выкачивания воды из угольных шахт. Самой  удачной 6 была машина Томаса Ньюкомена. (Слайд 6). Она была довольно громоздкой и "поедала" много угля. Тем не менее, практической пользы машина приносила несравненно больше, отчего ее почти полстолетия применяли в шахтах.  (Слайд 7)  Создатель первой в России паровой машины и первого в мире двухцилиндрового   парового   двигателя   Иван   Иванович   Ползунов   был специалистом   в   горнозаводском   деле   на  Алтае.  Э.      Г.      Лаксман,  посетивший в 1765   году Барнаул   писал:   «муж,   делающий   честь   своему   отечеству.   Он строит   теперь   огненную   машину,   совсем   отличную   от   венгерской   и английской».  Изобретение было по достоинству оценено Екатериной  II, но изобретатель умер  от чахотки за неделю до пробного пуска машины. Сама же машина была испытана учениками Ползунова, окупила себя и успела даже принести прибыль. Однако после поломки после трех месяцев работы была разобрана. (Слайд 8) В 1974 году шотландец Джеймс Уатт  сконструировал новый вариант двигателя. Машина Уатта получила широкое распространение, т.к. была компактная, но достаточно мощная. Созданная Уаттом  паровая машина стала приводить в движение промышленные станки, стала основным тепловым двигателем  конца XVIII – середины  XIX века, и это время называют «веком пара».  Мы   еще   раз   убеждаемся   в   том,   что   развитие   науки   тесно связано с развитием производства и общества в целом.   Необходимость   перевозки   большого   количества   товаров   требовала надежного транспорта. (Слайд   9)  Создателем   первого   парохода   считается   Роберт   Фултон.   В 1807 году он построил корабль «Клермонт», который совершал рейсы по реке Гудзон, развивая по тем временам немыслимую скорость — 5 узлов (9 км/ч). А вот  первый отечественный  пароход — «Елизавета» — был  построен  на верфях Санкт­Петербурга в ноябре 1815 года. (Слайд 10) 7 (Слайд   11)  Самым   удачливым   в   строительстве   паровозов   оказался Георг Стефенсон, который в 1812—1829 гг. не только предложил несколько конструкций   паровозов,   но   и   сумел   убедить   шахтовладельцев   построить первую железную дорогу. (Слайд 12) Первый паровоз в России был построен механиками отцом и сыном Е. А. и М. Е. Черепановыми на Нижне­Тагильском заводе в 1833—1834. Паровоз Черепановых возил поезда с рудой. Создание железнодорожной   сети   привело   к   взрывному   росту   промышленности   с середины XIX века, особенно металлургической.  В 60г. 19века был найден способ переработки нефти и выделения из нее бензина. (Слайд   13)  1885г.   Готлиб   Даймлер   и   Карл   Бенц   построили   первый самодвижущий   экипаж­   автомобиль   на   основе   двигателя   внутреннего сгорания Николауса  Отто. (слайд   14)  В   1903г.   Братья   Райт   использовали   бензиновый   двигатель   для создания   первого   самолета.  (слайд   15)     Первый   русский   самолёт   был построен   А. Ф. Можайским и испытан 20 июля 1882 года. Во время разбега самолёт оторвался от земли, но потерял скорость и рухнул на крыло, получив повреждения. (Слайд   16)  В  1883г.  Отец   русской   космонавтики   К.Э.Циолковский   создал первую модель ракеты на реактивном двигателе. В 1903 году он опубликовал статью «Исследование мировых пространств реактивными  приборами», где впервые доказал, что аппаратом, способным совершить космический полет, является ракета. Способов применения тепловых двигателей много. (слайд 17) Современный   транспорт   использует   ДВС,   турбовинтовые   и   реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым. 8 Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях. Показатель   результатов:   внимание   учеников,   обсуждение   поставленных вопросов, проверка выполнения домашнего задания. 3.2 Теория тепловых двигателей Дидактическая задача: рассмотреть принцип действия тепловых двигателей, ввести   понятие   КПД,   идеальной   тепловой   машины,   рассмотреть   способы увеличения КПД Метод: объяснительно­иллюстративный, частично­поисковый Форма организации: фронтальная Деятельность педагога Схема (слайд 18) Деятельность учащихся (зарисовать в тетрадь) В  любом тепловом  двигателе  можно Рабочее тело – совершает работу, выделить основные элементы: рабочее тело,   холодильник.   нагреватель, Какова их роль? Вернемся к тепловой машине Герона. (слайд 19)   Выделите   в   установке   элементы теплового двигателя.  Нагреватель   –   дает   энергию   для рабочего тела, Холодильник – возвращает систему в исходное состояние для цикличности процесса. Для характеристики эффективности работы машины вводится КПД. (Слайд 9 20) КПД   теплового   двигателя   называют   отношение   работы,   совершаемой двигателем к количеству теплоты, полученной от нагревателя.  = η А – работа  Q1 – теплота, полученная от нагревателя Q2 – теплота, переданная холодильнику Сравните числитель и знаменатель дроби. Сделайте вывод. Т.к.   у   всех   двигателей   некоторое   количество   теплоты   передается холодильнику, то КПД<1. КПД различных тепловых двигателей представлены в таблице. (слайд21) Хотя   изобретались   все   новые   тепловые   двигатели,   теоретического обоснования их работы не было. Впервые это сделал французский военный инженер Сади Карно. (слайд 22) Взгляните на его портрет! Молодой офицер, страстный любитель музыки и искусства, спортсмен, фехтовальщик. Сади Карно находил время для занятий науками и историей. С особым увлечением он работал над теорией теплоты. В 28   лет   Карно   написал   единственную,   но   обессмертившую   его   имя   работу «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».  Карно описал работу идеальной тепловой машины, рабочим телом которой является идеальный газ.  = η  =               η  < 1       η  < 100 % 10 Карно   доказал,   что   любая   реальная   тепловая   машина,   работающая   с нагревателем температурой Т1  и холодильником температурой Т2, не может иметь   КПД,   превышающий   КПД   идеальной   тепловой   машины.  КПД   цикла Карно является максимальным. Деятельность педагога Деятельность учащихся При каком условии КПД=1? Возможно ли такое состояние? Т2=0 Какой вывод сделаем? Абсолютный нуль не достижим Каковы   способы   повышения   КПД КПД всегда меньше 1 Увеличение   Т   нагревателя   и уменьшение Т холодильника. теплового двигателя? Т   холодильника   практически   не может   быть   ниже   Т   окружающей среды,   а   Т   нагревателя   повышать можно только в пределах технических возможностей материалов. Какими   ещё   способами   можно увеличить КПД? Уменьшение   потерь   энергии   (на трение, неполное сгорание топлива и т.д.) Показатель результатов: ответы­рассуждения учеников 3.3. Модель теплового двигателя. Дидактическая задача: дать понятие модели, проанализировать машину Карно как теоретической модели теплового двигателя. 11 Метод: проблемный вопрос Форма организации: фронтальная Деятельность педагога Деятельность учащихся Можно ли назвать идеальную машину  Карно моделью тепловой машины?   Как вы понимаете слово «модель»,  что это такое? Физическая модель ­ это упрощенная   физической версия системы (процесса),   сохраняющая   ее   черты   и   Какие модели могут быть? Какие физические модели вы знаете?  Можно ли назвать цикл Карно  моделью тепловой машины?  Почему? включающая   в   себя   все   то   главное, что необходимо учитывать в теории.  Модели могут быть материальные и  теоретические  В физике: материальная точка, АТТ,  идеальный газ, модель строения  атома. Да,   рабочее   тело   –   идеальный   газ, модель реального газа. Цикл Карно – теоретическая модель. Показатель результатов: обсуждение вопроса, вывод. Этап 4 Закрепление Дидактическая   задача:   применить   полученные   знания   для   решения конкретных задач 12 Метод: решение задач, задания с выбором ответа Форма организации: индивидуальная, групповая Деятельность педагога Деятельность учащихся Учащиеся решают задачи. (слайд 21) 1 уровень. Чему равен КПД  идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 4550 0С, а  температура холодильника 2730 0С? 2 уровень. Тепловой двигатель  совершает работу за цикл 100 Дж.  Какое количество теплоты получено  при этом от нагревателя, если КПД  двигателя 20%? Выбирают самостоятельного решения. задачу     для Проверка: 1 уровень – сверить ответ 2 уровень – записать на доске  конечную формулу и сверить  результат 3 уровень – ученик, первый  выполнивший задачу, записывает  решение на доске. 3 уровень. Определить КПД  гусеничного трактора, который  развивает мощность 60кВт и  расходует в час 18кг дизельного  топлива (q=42∙106 Дж/кг). Заполняют лист самооценки 1 уровень –«3» 2 уровнь – «4» 3 уровень – «5» Тестовое   задание  (слайды   22­26) (Приложение 4) Обменяйтесь   листочками   с   соседом Заполняют бланк ответов 13 по парте. Проверьте работу соседа по готовым   ответам  (слайд   27)и выставьте   полученный   результат   в лист самооценки. 1 а 2 б 3 а 4 в 5 в Проверяют   по   готовым   ответам, заполняют лист самооценки. Показатель результатов: выполнение заданий Этап 5. Рефлексия Дидактическая задача: мобилизация учащихся на рефлексию, актуализация и оптимизация знаний для следующего урока. Метод: беседа, самооценка  Форма организации: индивидуальная, фронтальная Деятельность педагога Деятельность  учащихся Посмотрите   свой   лист   самооценки. Работа с листом самооценки Сосчитайте   итоговый   балл.   Оцените свою   работу   на   уроке.   Довольны   ли вы результатом?  Домашнее задание: на выбор  §82,   задачи   №   676,   677 (сборник задач А.П.Рымкевич);  §82,  придумать свою задачу по теме   урока   с   историческим содержанием; Подсчет итогового балла:  20­18 – «5» 17­14 – «4» 13­10  ­ «3» Записывают домашнее задание 14  §82,   сообщение   на   тему «Влияние   тепловых  двигателей на окружающую среду».  Показатель результатов: самооценка, записи в дневнике, уточняющие вопросы по домашнему заданию. Учащиеся после изучения темы должны   Знать/понимать ­ понятие теплового двигателя, модели, идеальной тепловой машины; ­ принцип действия тепловых двигателей; ­ формулу для расчета КПД теплового двигателя и идеальной тепловой машины; ­ способы увеличения КПД теплового двигателя.  Уметь ­   использовать   понятие   модели   для   описания   работы   теплового двигателя ­   приводить   примеры   различных   способов   использования   тепловых двигателей ­ объяснять взаимосвязь развития науки, техники и общества на примере тепловых двигателей; ­ решать задачи по расчету КПД тепловых двигателей. Приложение 1 15 Лист самооценки  Ф.И.___________________________________________ Виды работ этапы урока сигнальные карточки викторина решение задачи тест итоговый балл Максимальный балл Индивидуальный балл 5 5 5 5 20 Приложение 2 1 2 3 4 5 Первый русский изобретатель паровой машины Как назывался первый русский пароход Изобретатели первого русского паровоза Изобретатель первого русского самолёта Кого называют «отцом русской космонавтики» «…Хотя всем было известно, что машина устаревшая, никуда не годная и  так далее, но, даже и такая,  она  поражала  своей  невероятной,  сокрушительной Приложение 3 16 силой.           Стальные   шатуны,   облитые   тугим   зеленым   маслом,   носились   туда   и обратно с легкостью, изумительной при их стопудовом весе.      Жарко  шаркали  поршни.   Порхали   литые   кривошипы.   Медные   диски эксцентриков быстро и нервно терлись друг  о  друга,  оказывая  таинственное влияние на почти незаметную, кропотливую   деятельность   скромных,   но очень важных золотников.           И   надо   всем   этим   головокружительным   хаосом     царил     непомерно громадный   маховик,   крутившийся   на   первый   взгляд   медленно,   а   если присмотреться,     то     с   чудовищной   быстротой,   поднимая   ровный   горячий ветер».  Валентин Катаев «Белеет парус одинокий» 1 Какие устройства относятся к тепловым двигателям: а) превращающие тепловую энергию в механическую; б) электрическую энергию в тепловую; в) внутреннюю энергию в тепловую. 2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу: а) холодильник; б) газ или пар; в) нагреватель. Приложение 4 17 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) больше1; б) равен 1; в) меньше 1. 5. Максимальный КПД имеет: а) двигатель внутреннего сгорания;  б) реактивный двигатель; в) идеальная тепловая машина. Бланк ответов 2 3 4 5 1   Литература: Учебник   Г.Я.   Мякишев,   Б.Б.   Буховцев,   Н.Н.   Сотский   «Физика   10   класс: учебник   для   общеобразовательных   учреждений:   базовый   и   профильный уровни»,М.: «Просвещение», 2010. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике для 10­11 классов средней школы. – Дрофа, 2016 18 Используемые ресурсы: Иван   Васильев:   Движимые   паром.   История   паровых   машин. http://www.3dnews.ru/575824 Кто   придумал   паровой   двигатель  http://altpp.ru/izobretenie­izmenivshie­ istoriyu­chelovechestva/parovoj_dvigatel.html История паровоза http://www.inventor.perm.ru/inventions/invention­parovoz.htm История изобретения паровых машин. Создание паровой машины.  http://www.syl.ru/article/167154/new_istoriya­izobreteniya­parovyih­mashin­sozdanie­ parovoy­mashinyi Анимированный рисунок. Источник  http://steampunker.ru/blog/547.html Фрагмент   фильма   «Герон   Александрийский   и   его   изобретения» https://www.youtube.com 19