Тема урока: «Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия. Двигатель внутреннего сгорания»

Ведущая идея урока: Тепловой дви­гатель – это двигатель, преобразующий внутреннюю энергию сгорающего топлива в механи­ческую энергию. Физическая величина, показывающая, какую долю от энергии, полученной при сгорании топлива, составляет совершаемая дви­гателем полезная работа, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

дидактическая:обеспечить формирование понятия «тепло­вой двигатель»; формирование умений применять закон сохранения и превращения энергии для объяснения физических основ ра­боты тепловых двигателей; усвоение формулы для расчета ко­эффициента полезного действия тепловых двигателей; обеспечить расширение и углубление зна­ний учащихся о физических принципах рабо­ты тепловых двигателей на примерах двигателя внутреннего сго­рания; формирование представлений об устройстве двигателей внутреннего сгорания;

развивающая:развитие умений выдвигать гипотезу, планировать эксперимент, анализировать его результаты, делать выводы и соотносить их с выдвинутой гипотезой, развитие коммуникативных и мыслительных способностей ребят;

воспитывающая:формирование научного мировоззрения, воспитание межличностных отношений в коллективе, воспитать положительную мотивацию к учению.

Тип урока:комбинированный.

 

План урока:

Организационный момент 2 мин
Проверка домашнего задания: физический диктант. 5 мин
Изложение нового материала. 30 мин
Закрепление нового материала. 5 мин
Подведение итогов 2 мин
Домашнее задание 1 мин

Ход урока:

1. Организационный момент: приветствие, проверка наличие присутствующих на уроке.

 

2. Проверка домашнего задания:

Вариант 1 Вариант 2
1. Какой процесс называется испарением? (Испарение − это парообразование, идущее со свободной поверхности жидкости) 1. Какой процесс называется кипением? ( Кипение – это тоже испарение , только с образованием новых поверхностей испарения внутри жидкости)
2. При какой температуре происходит кипение жидкостей? (Температура кипения постоянна при неизменных внешних условиях) 2. При какой температуре происходит испарение жидкостей? (Испарение жидкостей происходит при любой температуре)
3. От чего зависит скорость испарения? (Скорость испарения зависит от рода жидкости, её температуры, площади свободной поверхности и от притока воздуха) 3. От чего зависит температура кипения? (Температура кипения зависит от рода жидкости и внешнего давления)
4. Назовите формулу расчета количество теплоты необходимого для парообразования и единицу удельной теплоты парообразования в СИ. (Q=Lm; ) 4. Какую величину называют удельной теплотой парообразования? (Эта физическая величина, численно равная количеству теплоты, поглощенному 1кг жидкости при переходе ее в пар при температуре кипения)
5. Что значит для воздуха? (для превращения в пар 1 кг воздуха при его температуре кипения необходимо затратить энергии) 5. Что значит для спирта? (для превращения в пар 1 кг спирта при его температуре кипения необходимо затратить энергии)

 

3. Изложение нового материала:

Деятельность учителя Деятельность ученика
Тема нашего урока «Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия. Двигатель внутреннего сгорания».На самых ранних этапах своего развития человек искал способы приведения в движение нужных ему объектов: прими­тивной сохи для обработки земли, веретена прялки, жернова мельницы. Сначала он использовал свою мышечную силу и силу прирученных животных, затем появились двигатели, в которых использовалась энергия ветра и падающей воды: парус, ветря­ная и водяная мельницы. В ХII в. появилось огнестрельное оружие, в котором круглое каменное ядро с большой скоростью вылетало из ствола при взрыве пороха. Огромное количество теплоты, выделяющееся при таком очень быстром сгорании пороха, вызывало увеличение температуры (а значит, и давления!) продуктов сгорания, т. е. рост внутренней энергии. Именно за счет этой огромной энергии ядро и получало свою кинетическую энергию. Это устройство и было первым тепловым двигателем. В наше время тепловые двигатели широко используются в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве. Как в тепловых двигателях происходит преоб­разование внутренней энергии топлива в механическую работу? Газ или пар совершает работу, когда он не находится в тепловом или механическом равновесии с окру­жающей средой. Это означает, что начальное давление газа долж­но быть больше внешнего давления. Поэтому при уменьшении давления газ может совершать работу за счет уменьшения своей внутренней энергии. Тепловой дви­гатель - это двигатель, преобразующий внутреннюю энергию сгорающего топлива в механи­ческую энергию.       Рисунок 1. – Тепловой двигатель Любой тепловой двигатель имеет три ос­новных элемента (рисунок 1): нагреватель, ра­бочее тело и холодильник (чаще всего окружа­ющая среда). В тепловом двигателе сжи­гают топливо (порох, газ, бензин, уголь). Вы­деляемая теплота вызывает повышение внут­ренней энергии рабочего тела (пара или га­за − продуктов сгорания). В рабочем объеме(цилиндре, стволе) сила давления пара или га­за при его расширении совершает положительную работу: толкает пулю, пор­шень, ракету, лопатку турбины, а рабочее тело покидает рабочий объем. Уходящее рабочее тело обладает еще значительной внутренней энер­гией (вспомните, какой горячий глушитель работающего мотоцикла или автомо­биля), то есть мы используем лишь частьтой внутренней энергии, которую ра­бочее тело получило отсгоревшего топлива. Непременным условием работы лю­бого теплового двигателя является наличие нагревателя, имею­щего более высокую температуру рабочего тела, и холодильника с более низкой температурой. Существуют различные виды тепло­вых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгора­ния, газовая и паровая турбины, реактивный двигатель. В каждом из них энергия топлива сначала переходит в энергию газа (пара), который затем, расширяясь, совершает работу. В процессе со­вершения этой работы часть внутренней энергии газа идет на нагревание, на работу против сил трения и т. д. Совершая работу, тепловой двигатель использует полезно лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива. Физическая величина, показывающая, какую долю от энергии, полученной при сгорании топлива, составляет совершаемая дви­гателем полезная работа, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя: , где − количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива; − работа, совершаемая двигателем. Вследствие того, что всегда меньше , коэффициент полез­ного действия любого теплового двигателя . Для того чтобы двигатель работал, рабочее тело (газ) должно получить теплоту, которую выде­лило сгорающее топливо. Топливо может сгорать прямо в цилиндре, внутри самого двигателя, отсюда и происходит название двигателя − двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания − очень распрост­раненный вид теплового двигателя. Они работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.   Рисунок 2. – Двигатель внутреннего сгорания Попытаемся разобраться в принципе действия широко при­меняемых в автомобилях, самолетах, танках, тракторах, мо­торных плавающих судах и т. д. бензиновых двигателей внутрен­него сгорания. Двигатель состоит из цилиндра, в котором переме­щается поршень, соединенный при помощи шатуна 6с коленчатым валом 7. На валу укреплен тяжелый ма­ховик 8, предназначенный для уменьшения неравно­мерности вращения вала. В верхней части цилиндра имеются два клапана 1и 2, которые при работе двигателя автоматически откры­ваются и закрываются в нужные моменты. Через кла­пан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 3, а через клапан 2 выпускаются отработавшие газы. В цилиндре такого двигателя периодически происхо­дит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха. При сгорании горючей смеси образуются газы, температура которых достигает . Горючие газы оказывают на поршень большое давле­ние. Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом они охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую энергию. Бензиновый двигатель работает циклически. Его цикл состоит из нескольких процессов, называемых тактами. Если за цикл совершается 4 такта, то двигатель называется четырехтактным, если 2 − двух­тактным. Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя. Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Рисунок 3. – Принцип работы ДВС Один ход поршня, или один такт двигателя, совер­шается за пол-оборота коленчатого вала. При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень движется вниз (рисунок 3, а). Объем над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создается разрежение. В это время открывается клапан 1 и в ци­линдр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1 закры­вается. При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь (рисунок 3, б). В конце второго такта, когда поршень дойдет до край­него верхнего положения, сжатая горючая смесь воспла­меняется (от электрической искры 3) и быстро сгорает (рисунок 3, в). Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз (рисунок 3, г).Под действием расши­ряющихся нагретых газов (третий такт) двигатель со­вершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при после­дующих тактах. Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах. В конце третьего такта открывается клапан 2, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмо­сферу. Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта, когда поршень движется вверх (рисунок 3, д). В конце четвертого такта клапан 2 закры­вается. Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): всасывания, сжатия, рабочего хода, вы­пуска (выхлопа). 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. Некоторые автомобили снабжаются дизель­ными двигателями. Он отличается от бензинового в основном способом зажигания горючей смеси. Воздух в цилиндре очень сильно сжимается и нагревается до . В конце такта сжатия в цилиндр впрыскивается горючее (нефть, мазут, дизельное топливо). Смесь воспламеня­ется вследствие высокой температуры в цилиндре. Таким обра­зом, дизельный двигатель не требует свечи и использует более дешевое топливо, а не дорогой очищенный бензин. А так как сжатие в цилиндре более сильное, то за рабочий ход произво­дится большая работа, а значит, КПД у него выше (до 44 %). Недостаток его в увеличенных размерах: боль­шая степень сжатия требует большего объема цилиндра. 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. Записывают название темы.     Записывают определение.   Записывают определение и формулу.

4. Закрепление нового материала:

Вопрос Ответ
За счёт чего увеличивается внутренняя энергия рабочего тела в тепловом двигателе?   За счёт теплоты сгорания топлива.
Во что преобразуется внутренняя энергия в любом тепловом двигателе? В механическую.
Какой двигатель называют тепловым? Тепловой дви­гатель − это двигатель, преобразующий внутреннюю энергию сгорающего топлива в механи­ческую энергию.
Цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов… Всасывания, сжатия, рабочего хода, вы­пуска (выхлопа).
Что такое КПД теплового двигателя? Физическая величина, показывающая, какую долю от энергии, полученной при сгорании топлива, составляет совершаемая дви­гателем полезная работа, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

5. Подведение итогов.

6. Домашнее задание: изучить §12. Выполнить задания № 1−3 из упражнения 6.