Урок физики в 8 классе по теме "Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания"

Урок физики в 8 классе

Тема «Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания»

Учитель: Емельянова Л.В.

МАОУ «Филипповская ООШ»

Учебник: «Физика – 8», А.В. Перышкин – М., «Дрофа», 2018 г

Цель урока:

образовательная – расширить знания учащихся о тепловых двигателях; сформировать знание учащихся о работе пара и газа на примере изучения двигателя внутреннего сгорания (ДВС); изучить устройство и принцип действия четырехтактного ДВС; систематизировать знания учащихся по теме «Тепловые явления»;

развивающая – развитие логического мышления на основе сравнительного анализа различных тепловых двигателей; развитие у школьников умений формулировать экологические проблемы использования двигателей, предлагать пути их решения;

воспитательная – стимулирование познавательной активности при обсуждении работы двигателя; содействовать патриотическому воспитанию, напомнив учащимся о роли отечественных изобретателей в истории.

Оборудование: модель ДВС, модель парового двигателя, ПК, проектор, экран, мультимедийная презентация, индивидуальные карточки-задания, значки рефлексии.

Формы и методы работы: фронтальная, индивидуальная, коллективное обсуждение, анализ, сравнение, работа с презентацией, работа с карточками-заданиями, выступления учащихся с сообщениями.

Ход урока.

I. Организационный момент.

1) Проверка готовности к уроку: наличие учебников, рабочих тетрадей, выполнение домашней работы.

2) Проверка готовности ТСО (экран, проектор, ПК, презентация, карточки).

II. Объявление темы и цели урока.

Учитель. В 7 клас­се мы изу­ча­ли раз­лич­ные виды энер­гии, в част­но­сти, рас­смат­ри­ва­ли по­тен­ци­аль­ную энер­гию и ки­не­ти­че­скую энер­гию. Далее, в 8 клас­се был изу­чен ещё один вид энер­гии – внут­рен­няя энер­гия. Внут­рен­няя энер­гия лю­бо­го тела ха­рак­те­ри­зу­ет­ся тем­пе­ра­ту­рой, может из­ме­нять­ся, но самое глав­ное, что внут­рен­няя энер­гия может быть за­па­се­на в таком ве­ще­стве, как топ­ли­во. Топ­ли­во может быть раз­ным: жид­ким, твер­дым, га­зо­об­раз­ным, но самая глав­ная его осо­бен­ность – при сжи­га­нии топ­ли­ва вы­де­ля­ет­ся тепло. В нашей жизни ис­поль­зу­ет­ся до­ста­точ­но боль­шое ко­ли­че­ство машин, и эти ма­ши­ны ис­поль­зу­ют раз­лич­ные виды энер­гии. Общей чер­той всех машин яв­ля­ет­ся то, что это устрой­ство, ко­то­рое пре­об­ра­зу­ет один вид энер­гии в дру­гой. Сегодня мы познакомимся с устройством и ра­ботой двигателя внутреннего сгорания. В настоящее время двига­тель внутреннего сгорания является наиболее распространенным. Такого типа двигатели используются на кораблях, тепловозах, автомобилях, сельскохозяйственных машинах и т. д.

Запишем тему нашего сегодняшнего урока:

«Тепловые двигатели. Двигатель внутреннего сгорания».

III. Актуализация и коррекция опорных знаний.

Учитель. Вначале повторим материал прошлых уроков. Скажите, какие превращения агрегатных состояний веществ мы изучали?

Ученик. Превращение из твердого состояния в жидкое называется плавлением.

Ученик. Превращение из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией.

 Ученик. Превращение из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Ученик. Превращение из газообразного состояния в жидкое называется конденсацией.

Учитель. Приведите примеры превращения энергии пара в механическую энергию тела.

Ученик. При расширении пара в цилиндре с поршнем совершается работа и значит, энергия пара превращается в механическую энергию поршня.

Учитель. Какие двигатели называются тепловыми?

Ученик. Тепловыми двигателями называются машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

IV. Изучение нового материала.

Учитель. Зна­че­ние ме­ха­ни­че­ской ра­бо­ты в жизни че­ло­ве­ка пе­ре­оце­нить тяже­ло: эта ра­бо­та опре­де­ля­ет дви­же­ние транс­пор­та, пе­ре­воз­ку и подъ­ём грузов и мно­гое дру­гое. За­да­ча любой ма­ши­ны – пре­об­ра­зо­вать энер­гию в эту ра­бо­ту.

Запишем:

«Теп­ло­вой дви­га­тель – это устрой­ство, ко­то­рое пре­об­ра­зу­ет внутрен­нюю энер­гию топ­ли­ва в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту».

Рас­смот­рим по­дроб­нее ис­то­рию со­зда­ния пер­вых машин. Че­ло­век давно заду­мы­вал­ся о том, как по­стро­ить со­от­вет­ству­ю­щие ма­ши­ны.

Пер­вым таким че­ло­ве­ком (по до­шед­шим до нас све­де­ни­ям) был Герон Алексан­дрий­ский, ин­же­нер-изоб­ре­та­тель, ко­то­рый жил в I-II в. нашей эры (Рис. 1).

 Рис. 1. Герон Алек­сан­дрий­ский.

Он пер­вым со­здал свою зна­ме­ни­тую па­ро­вую ма­ши­ну, ко­то­рая на­зы­ва­ет­ся теп­ло­вой машиной Ге­ро­на (Рис.2).

Рис. 2. Теп­ло­вая ма­ши­на Ге­ро­на

Прин­цип дей­ствия этой ма­ши­ны за­клю­чал­ся в сле­ду­ю­щем: в сосуд с отверсти­я­ми на­ли­ва­лась вода и по­ме­ща­лась над огнем. Вода за­ки­па­ла, через от­вер­стия с боль­шой ско­ро­стью вы­ры­вал­ся пар, и часть, под­ве­шен­ная над огнем, на­чи­на­ла вра­щать­ся. Это и был про­об­раз пер­вой теп­ло­вой ма­ши­ны.

Пер­вый теп­ло­вой дви­га­тель, ко­то­рый ис­поль­зо­вал­ся в ра­бо­те (а не был демон­стра­ци­ей пре­вра­ще­ния внут­рен­ней энер­гии в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту), был по­стро­ен в 1768 году в Ан­глии зна­ме­ни­тым ин­же­не­ром Джейм­сом Уаттом (Рис. 3) (в честь Уатта потом была на­зва­на еди­ни­ца мощ­но­сти).

Рис. 3. Джеймс Уатт

Подробнее об этом мы сейчас послушаем в сообщении, подготовленном ____________________________________________________________.

Сообщение ученика.

«В 1781 году Джеймс Уатт впер­вые запатентовал дви­га­тель, ко­то­рый называется паро­вым. В этом дви­га­те­ле ис­поль­зо­ва­лась энер­гия расширяющего­ся пара, ко­то­рая пре­вра­ща­лась в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту. В резуль­та­те по­мо­щи од­но­го из круп­ных бан­ки­ров и за­вод­чи­ков Уатту уда­лось от­крыть фирму по про­из­вод­ству па­ро­вых машин (Рис. 4).

Рис. 4. Па­ро­вая ма­ши­на Уатта

Па­ро­вые машины ис­поль­зо­ва­лись на шах­тах и за­во­дах. В пер­вые де­ся­ти­ле­тия фирмы было со­зда­но 44 такие ма­ши­ны. В сле­ду­ю­щее де­ся­ти­ле­тие их было со­зда­но уже боль­ше 100.

Прав­да, су­ще­ству­ет вер­сия, что на несколько лет рань­ше Уатта в 1766 году на Барна­уль­ском за­во­де была из­го­тов­ле­на пер­вая па­ро­вая ма­ши­на в Рос­сии (рис 5).

 Рис. 5. Паровая машина Ивана Ползунова

Изоб­ре­та­те­лем этой ма­ши­ны был Иван Пол­зу­нов (Рис. 6).

 Рис. 6. Памятник Ивану Ползунову в Новгороде

Счи­та­ет­ся, что он сде­лал эту ма­ши­ну спе­ци­аль­но для за­во­да, чтобы использо­вать ее при ковке боль­ших де­та­лей. Сам Иван Пол­зу­нов ра­бо­ты этой ма­ши­ны не уви­дел, но 27 мая 1766 года эта ма­ши­на была за­пу­ще­на. Она прора­бо­та­ла боль­ше двух ме­ся­цев. За это время она пол­но­стью себя оку­пи­ла и вы­пол­ни­ла огром­ный объем ра­бо­ты. Но затем из-за неболь­шой непо­лад­ки ма­ши­на вышла из строя, и по­чи­нить её не уда­лось. По­это­му на се­го­дняш­ний день во всем мире счи­та­ет­ся, что пер­вым че­ло­ве­ком, ко­то­рый по­стро­ил первый теп­ло­вой дви­га­тель, был Джеймс Уатт. Джеймс Уатт, в свою оче­редь, был про­тив того, чтобы ис­поль­зо­вать па­ро­вую ма­ши­ну на транс­пор­те. И поэто­му толь­ко позже, уже дру­ги­ми изоб­ре­та­те­ля­ми па­ро­вая ма­ши­на была постав­ле­на «на ко­ле­са».

Учитель. Из всего многообразия тепловых двигателей мы познакомимся с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Так что же принесли в мир тепловые машины – добро или зло. Давайте вместе размышлять, и при этом нам предстоит узнать:

ü  Почему двигатель называют ДВС.

ü  Устройство двигателя внутреннего сгорания.

ü  Схему работы такого двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания – очень распространенный вид тепловых двигателей. ДВС работают на жидком топливе или горючем газе.

Само название – ДВС – говорит о том, что топливо сгорает внутри самого двигателя – прямо в цилиндре. ДВС работают на жидком топливе (бензин, керосин) или на горючем газе.

Запишем в конспект:

«ДВС – это двигатель, топливо в котором сгорает внутри самого двигателя».

Рассмотрим устройство ДВС:

1.     Цилиндр

2.     Поршень

3.     Шатун

4.     Коленчатый вал

5.     Маховик

6.     Впускной клапан

7.     Выпускной клапан

8.     Свеча

Рис. 7. Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 2, соединенный при помощи шатуна 3 с коленчатым валом 4. На валу укреплен тяжелый маховик 5 для уменьшения неравномерности вращения вала. В верхней части цилиндра имеются два клапана 6 и 7, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 6 поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 8, а через клапан 7 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.

Рассмотрим принцип работы ДВС.

Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками.

Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называется ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 (в некоторых – за 2) хода поршня или такта. Поэтому такие двигатели называются четырёхтактными (двухтактными). Рассмотрим более подробно каждый такт.

1 такт – 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, которую дает свеча 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.

Внимание на экран, - посмотрим компьютерную анимацию работы ДВС.

Рис. 8. 4 такта работы двигателя внутреннего сгорания

Итак, цикл двигателя состоит из 4 тактов.

Давайте вспомним их ещё раз и запишем в тетради:

1 такт – впуск

2 такт – сжатие

3 такт – рабочий ход

4 такт – выпуск

Учитель. Что происходит дальше при вращении колен­чатого вала?

Ученик. Такты повторяются.

Учитель. Но существуют не только такие (карбюраторные) двигатели внутреннего сгорания, а еще и дизельные двигатели.

Сообщение ученика.

«Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия сконструировал в 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель (Рис. 9).

 Рис. 9. Рудольф Дизель

По имени изобретателя этот двигатель назван дизе­лем (Рис. 10).

Рис. 10. Стационарный одноцилиндровый дизельный двигатель, Германия, Аугсбург, 1906

В цилиндре дизеля происходит сжатие не горючей смеси, а чистого воздуха, который разогревается при сжатии до 650°С. В момент подхода поршня к верхнему положению в цилиндр пода­ется топливо через форсунку. В цилиндре топливо воспламеняется. Дизель более экономичен, и имеет выше коэффициент полезного действия. Дизельные двигатели приводят в действие большегрузные автомобили, тракторы, суда, тепловозы».

Учитель. Кроме рассмотренных тепловых двигателей, существует их широкое разнообразие, с некоторыми из них мы еще будем знакомиться в дальнейшем при изучении физики, такими как:

ü паровые двигатели;

ü двигатели внутреннего сгорания;

ü реактивные двигатели;

ü турбины.

V. Решение задачи.

Тепловой двигатель получил от нагревателя 200 МДж энергии, а отдал холодильнику – 120 МДж. Определить работу, которую выполнил двигатель и его КПД.

Дано:                           СИ:                    Решение:

Q₁ = 200 МДж      2*10⁸ Дж

Q₂ = 120 МДж      1,2*10⁸ Дж

А - ?

η - ?

А=Q₁ – Q₂   –  работа тепловой машины.

А=2*10⁸ Дж –1,2*10⁸ Дж=0,8*10⁸ Дж.

η=А/Q₁ – коэффициент полезного действия. 

η =(0,8*10⁸ Дж/2*10⁸ Дж)*100%=40%.

Ответ: А=0,8*10⁸ Дж; КПД=40%.

VI. Сферы применения тепловых двигателей и экологические проблемы их использования.

Сообщение ученика.

«1. Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно.

Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах.

Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.

2. 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:

ü при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха;

ü сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа;

ü при работе двигатели выбрасывают в атмосферу азотные и серные соединения, а так же свинец».

Учитель. Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических проблем?

Ученики. Посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели; переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.

VII. Итоговое закрепление изученного на уроке.

Учитель. Ну, а сейчас давайте ещё раз коротко повторим то, с чем мы познакомились на сегодняшнем уроке.

Ø Какие машины называют тепловыми двигателями?

Ø Какие виды тепловых двигателей вы знаете?

Ø Что является нагревателем двигателя внутреннего сгорания?

Ø Что является холодильником двигателя внутреннего сгорания?

Ø Из скольких тактов состоит цикл двигателя внутреннего сгорания?

После опроса, предлагаются индивидуальные бланки с тестами и графическим заданием, находящиеся на столах у ​​учащихся (Приложение 1).

Результаты вносить в бланк, который в конце урока сдать на проверку.

VIII.  Подведение итогов урока.

IX. Домашнее задание. Читать §21-24; повторить конспект в тетради.

IX. Рефлексия.

Учащиеся по очереди высказывают по одной фразе, выбирая начало фразы из рефлексивного экрана:

Ø Сегодня на уроке я узнал (а) ...

Ø Было интересно ...

Ø Было тяжело ...

Ø Я выполнял (а) задание ...

Ø Я понял (а), что ...

Ø Теперь я могу ...

Ø Я почувствовал (а), что ...

Ø Я приобрел (а) ...

Ø Я научился (лась) ...

Ø У меня получилось ...

Ø Я смог (ла) ...

Ø Я попробую ...

Ø Меня удивило ...

Ø Урок дал мне для жизни ...

Ø Мне захотелось ...

Ø Мне очень понравилось ...

Приложение 1.

_____Класс_________________ Фамилия

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.

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.

1. ____________________________
2. ____________________________
3.  ____________________________
4. ____________________________
5. ____________________________
6. ____________________________
7. ____________________________
8. ____________________________
9.  

Скачано с www.znanio.ru