Автор:
Нурыева Гузель Рашитовна
Приобретаемые навыки детей: уметь распознавать новые научные факты в конкретных ситуациях; уметь объяснять конкретные ситуации на основе полученных знаний; воспроизводить изученное явление; владение научными знаниями помогает человеку правильно ориентироваться в окружающем его мире; формирование у учащихся гордости за русскую науку и ее ученых и изобретателей.
Цель образовательная: учащиеся должны усвоить следующие суждения:
1. Пар (газ) расширяясь, может совершать работу.
2. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.
3. Рабочий цикл двигателя состоит из следующих четырех тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.
Цель развивающая: учащиеся должны овладеть следующими видами действий:
а) распознавать новые научные факты в конкретных ситуациях;
б) уметь объяснять конкретные ситуации на основе полученных знаний;
в) воспроизводить изученное явление (то есть приводить примеры, в которых наблюдается это явление и объяснять его).
Цель воспитательная: учащиеся должны убедиться в том, что:
а) изучаемые знания находят широкое применение в технике в быту;
б) владение научными знаниями помогает человеку правильно ориентироваться в окружающем его мире;
в) воспитание у учащихся гордости за русскую науку и ее ученых и изобретателей.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Метод урока: эвристическая беседа с демонстрацией опытов.
Оборудование: спиртовка, штатив, пробирка с водой, модель паровой машины, модель четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, плакат «Двигатель внутреннего сгорания».
ХОД УРОКА.
I. Актуализация знаний.
Учитель. Сегодня мы начинаем изучение новой темы «Работа пара и газа при расширении. Двигатель внутреннего сгорания». Для того, чтобы подробнее изучить работу ДВС и узнать историю его создания, на нашем уроке присутствуют следующие специалисты: историк, механик, эколог, физик – это я. ( Роль гостей выполняют сами учащиеся).
II. Мотивация знаний.
Для того, чтобы копать, ходить, поднимать тяжести нужна механическая энергия. Она дремлет в мускулах людей и животных, плещет в струях воды, гудит в порывах ветра. Все эти источники человек использует уже давно. А для того, чтобы варить и жарить, отапливать жилища и плавить металлы нужна тепловая энергия. Первым источником тепловой энергии был костер, пылающий в пещере первобытного человека.
Люди хотели ездить быстрее, чем скачет лошадь, но у лошади не хватало энергии. Она могла надорваться. Люди хотели мчаться по морям быстрее ветра, но ветер часто подводит мореплавателей. Он ослабевал или дул не в ту сторону. Люди хотели построить больше водяных мельниц, которые вертели бы не только жернова, но и станки на заводах, но не всюду есть река, чтобы можно было построить водяную мельницу.
Механической энергии не хватало, зато тепловой было много. Вслед за дровами люди научились сжигать каменный уголь, нефть, сланец, газ. А нельзя ли запрячь тепловую энергию в работу вместо механической, не может ли тепло превратиться в движение? Об этом мы постараемся узнать сегодня на уроке.
III. Изучение нового материала.
Инженер. Чтобы ответить на поставленную познавательную задачу, давайте вспомним о чайнике, который мы поставили с водой на газовую печку. Что происходит с газом, чайником и водой?
Ученик. Газ сжигается, при этом выделяется тепло, которое идет на нагревание чайника и воды. Постепенно вода закипает и образуется пар.
Инженер. Вы все знаете, что когда жидкость кипит, температура ее не меняется. А на что же расходуется энергия топлива при кипении жидкости?
Ученик. На образование пара.
Инженер. Правильно. Поэтому, чем больше энергии подаем, тем интенсивнее происходит образование пара. Вы, наверное, замечали, что когда вода в чайнике кипит, то крышка его слегка подпрыгивает. Почему же она подпрыгивает? Что ее поднимает?
Ученик. Пар.
Инженер. Правильно. Рассмотрим подробнее, что происходит в чайнике, который нагревается на газовой печке и, вероятно, уже закипает. Он плотно закрыт крышкой и нет возможности пару вырваться наружу. Но постепенно температура увеличивается, давление пара тоже растет, а значит, увеличивается и внутренняя энергия пара. Пар вынужден расширяться, пытается найти выход и приподнимает крышку. То есть, тем самым пар совершает работу. Какие превращения энергии при этом происходят?
Ученик. Энергия топлива сначала переходит во внутреннюю энергию пара, которая в свою очередь переходит в механическую энергию крышки.
Учитель. Верно. Проделаем следующий опыт. На штативе укрепляем пробирку с водой, плотно закрытую пробкой. Сейчас я буду нагревать воду в пробирке с помощью спиртовки, а вы наблюдайте за видом воды и положением пробки в пробирке. Итак, я нагреваю. Будьте внимательны! Что произошло?
Ученик. Пробка вылетела.
Учитель. Что заставило ее вылететь? Какие силы на нее подействовали?
Ученик. При кипении образуется пар, при нагревании он продолжал расширяться и вытолкнул пробку.
Учитель. Правильно! Мы можем сказать, что в данном случае пар совершил работу?
Ученик. Да.
Учитель. Какие превращения энергии здесь происходят?
Ученик. Здесь энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершил работу. Внутренняя энергия пара переходит в кинетическую энергию пробки.
Инженер. Заменим пробку на металлический цилиндр, а пробку – поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и свободно двигается вдоль нее. Мы получили простейший тепловой двигатель. Мы получили упрощенный вид паровой машины!
Одним из первых построил «огненную машину» русский механик Иван Ползунов. Но об этом лучше всего расскажет историк.
Историк. С древнейших времен люди нуждались в двигательной силе или в двигателях, которые бы приводили в действие приспособления для подачи воды на поля, вращали жернова, моловшие зерно и т. Д. В странах Древнего Востока, в Древнем Египте, Индии для этой цели использовали животных и рабов. На смену живым двигателям пришло водяное колесо. Поток воды в реке давил на лопасти и поворачивал колесо, а через его вал движение передавалось жерновам.
В VII в. Персы изобрели мельницу с крыльями. С появлением мельниц началась история ветряных двигателей.
Водяные колеса и ветряные двигатели вплоть до XVII в. оставались единственными типами двигателей.
В 1763 г. русский механик И. И. Ползунов разработал чертежи – 4-хцилиндровой паровой машины. В 1766 г. 27 мая эта машина была запущена. Менее чем за 2 месяца машина не только полностью себя окупила, но и дала большую прибыль.
Преодолевая чиновничий бюрократизм, он – больной и измученный, строил машину. Но болезнь его одолела. Он не дожил до пуска своей паровой машины каких-то 8 дней. Ползунову было только 38 лет.
Жаль, что он не услышал могучие вздохи своей паровой машины. Тепловая энергия превратилась в механическую!
Машина Ползунова проработала недолго. В течении 43 суток она приводила в движение мехи 3-х плавильных печей. После первой поломки невежественные хозяева приказали ее разобрать. Вскоре о Ползунове забыли.
Больше повезло другому изобретателю паровой машины Джеймсу Уатту. В 1784 г. английский механик Дж. Уатт изобрел универсальную по своему техническому применению – паровую машину. Давайте попросим механика рассказать о ее устройстве.
Механик. С удовольствием присоединяюсь к вашему рассказу. Главной частью этой машины был цилиндр, с обоих концов закрытый крышками. Внутри цилиндра помещен поршень. Пар давит на поршень поочередно то слева, то справа и перемещает от одной крышки цилиндра к другой. Одним концом поршень соединен со штоком, пропущенным сквозь одну из крышек цилиндра. Через него движение поршня передается наружу к рабочим органам машины.
Учитель. Спасибо за консультацию. Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию назвали тепловыми двигателями. А сейчас инженер пояснит нам конструкцию современной паровой машины.
Инженер объясняет на модели или по схеме устройство паровой машины.
Учитель. Завертелись станки, побежали по рельсам паровозы, поплыли по морям пароходы.
А вы знаете, кто считается первым изобретателем паровоза? Обычно считается – Стефенсон. Но в действительности это не так.
Историк. Первый паровоз изобрел и построил Ричард Тревитик в 1804 году. Порожняком этот паровоз мог ходить со скоростью до 26 км/час и вез 5 повозок с железом общим весом в 25,4 тонны со скоростью 8 км/час. У этого паровоза была неудачная система передачи вращения от паровой машины к колесам. Механизм часто ломался.
Рис. 1
Были и забавные паровые машины. Изобретатель Фич сделал пароход с веслами, а паровоз Брентона был с ногами. У него были колеса, но кроме него сзади, за котлом были прикреплены на шатунах две ноги со ступнями, упирающимися в землю. Ноги передвигались, когда пускали паровую машину в ход, и, отталкиваясь от земли, заставляли катиться паровоз на колесах. Смешно и неудобно: паровоз шел шагом.
В 1808 году в лондонской газете «Таймс» было объявлено, что в предместье Лондона мистер Тревитик демонстрирует «беговую паровую машину», которая сможет обогнать любую скаковую лошадь. Новый паровоз был замечателен во многих отношениях. Конструкция намного упрощена, стала менее громоздкой. Паровоз развил скорость до 30 км/час. Тревитик дал ему имя «Поймай меня, кто сможет!».
Рис. 2
Первый паровоз, построенный Стефенсоном в 1814 году, не отличался своеобразием. По существу это был прежний локомотив, но, конечно, немного усовершенствованный. Идея паровозостроения захватила Стефенсона: в 1815 году он строит второй паровоз, а в 1816 году – третий. В 1829 году дирекция только что построенной Ливерпульской дороги (железной) назначила состязание паровозов. Условия были суровые: паровоз должен был развивать скорость не менее 16 км/час и везти при этом поезд в 20 тонн; сам паровоз должен весить не более6 тонн – для того времени это был очень маленький вес, так как паровые машины строили очень тяжелые и неуклюжие.
Рис. 3
Четыре изобретателя готовили паровозы к соревнованию. Но выдержать состязание смог только паровоз Стефенсона «Ракета». «Ракета» вела поезд весом 30 тонн со скоростью 36 км/час. Это был триумф! Из оставшихся трех паровозов один совсем не смог принять участие в соревновании (не смог даже начать его), а два других потерпели аварию.
По дорогам побрели первые неуклюжие паровые автомобили. А также первые самолеты. Но паровые самолеты не летали. Паровая машина с котлом, топка с запасом топлива оказались с лишком тяжелыми, и паровые автомобили ходили слишком плохо. Нужен был какой-то другой двигатель, легкий, небольшой и такой двигатель был создан. Топливо сгорало прямо в цилиндре. Горячие газы толкали поршень.
Такой двигатель, в котором горение происходит внутри цилиндра, назвали двигателем внутреннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгорания был изобретен недавно. Около 100 лет назад немецкий механик Даймлер получил патент на изобретение бензинового двигателя, который стал применяться на первых автомобилях. Позже сконструировали дизельные двигатели внутреннего сгорания.
Таким образом, изобретение универсального парового двигателя позволило усовершенствовать многие рабочие машины, а во второй половине XIX века появился новый тип двигателя – двигатель внутреннего сгорания.
В настоящее время существует несколько видов тепловых двигателей. Мы рассмотрим один двигатель внутреннего сгорания, а сокращенно ДВС.
Рис. 4
Это один из самых распространенных двигателей. О его устройстве и принципе работы нам расскажет механик.
Механик. Основной частью ДВС является один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя. Цилиндры соединяются при помощи шатуна с коленчатым валом. На валу укреплен тяжелый маховик, предназначенный для уменьшения неравномерности вращения вала. Внутри цилиндра движется поршень (в виде металлического стакана), опоясанный пружинящими кольцами, вложенными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива в промежутке между поршнем и стаканом цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем-пальцем, который соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движение поршня коленчатому валу. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами (отверстиями), закрытыми клапанами. Через один из клапанов – впускной – подается воздух, а через другой – выпускной – удаляются продукты сгорания.
Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня.
Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными. Один ход поршня или один такт двигателя совершается за пол-оборота коленчатого вала.
Наибольшее распространение в технике получил 4-хтактный двигатель.
Рис. 5
1-й такт. Всасывание. При повороте вала двигателя в начале первого такта поршень движется вниз. Объем над поршнем увеличивается. В это время открывается первый клапан, и в цилиндр всасывается воздух. К концу первого такта цилиндр заполняется воздухом, а клапан закрывается.
Механик. 2-й такт. Сжатие. Оба клапаны закрыты. При закрытых клапанах поршень, двигаясь вверх, сжимает воздух до 3,5*106 Па, отчего последний нагревается до 7000 С. Какие изменения с газом происходят при этом?
Ученик. Все три параметра меняются, но тепло извне не подается.
Механик. Верно. 3-й такт. Рабочий ход. При закрытых впускном и выпускном клапанах поршень в верхней мертвой точке. В это время в цилиндр форсункой впрыскивается распыленное жидкое топливо, которое мгновенно самовоспламеняется и сгорает. Температура продуктов сгорания достигает 19000 С, а давление резко увеличивается до 8*106 Па.
Таким образом, продукты сгорания двигают поршень вниз, совершая работу. Под действием расширяющихся нагретых газов двигатель совершает работу. Этот такт называется рабочим ходом.
Движение поршня передается шатуну, а через него – коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем вращается 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.
4-й такт. Выпуск. Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта, когда поршень движется вверх и продолжает выталкивать из цилиндра отработанные газы через глушитель в атмосферу. В конце четвертого такта впускной клапан закрывается.
Инженер. Вам известно, что при сильном и быстром сжатии газ нагревается. Вспомните об этом, когда Вы накачиваете насосом велосипедную шину.
Айдар! Выйди к доске и проделай следующий опыт: сделай несколько быстрых качаний велосипедным насосом, закрывая при этом выходное отверстие пальцем. Что чувствует палец?
Ученик. Тепло.
Инженер. Значит, при сильном и быстром сжатии газ нагревается. Это явление используется в дизельных двигателях. У этих двигателей горючая смесь воспламеняется благодаря сжатию. Двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением сконструировал 1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель. По имени изобретателя этот двигатель назван дизелем.
Кроме дизельных двигателей еще существуют карбюраторные. Отличительной особенностью последних является наличие карбюратора и свечи зажигания для воспламенения горючей смеси. Следует иметь в виду, что к тепловым двигателям относят двигатель внутреннего сгорания, паровую машину и реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа и пара. Расширяясь, газ (пар) совершает работу и при этом охлаждается, а часть его внутренней энергии превращается в механическую.
IV. Закрепление полученных знаний.
Мы с вами говорим о тепловых двигателях. А где их используют?
Ученик. Двигатели внутреннего сгорания используются в автомобилях, самолетах, тракторах, тепловозах, паровозах, пароходах и т.д.
Учитель. Вы совершенно правы. А какие профессии затрагивает двигатель внутреннего сгорания?
Ученик. Водителя, тракториста, автослесаря, пилота, машиниста, инженера и многие другие.
Учитель. Теперь вы понимаете необходимость изучения этой темы. Даже трудно сейчас представить себе, что было бы, если бы двигатель не изобрели.
Ученик. Во-первых, мы бы все ходили пешком, не летали бы самолеты, не ездили бы поезда, не плавали бы теплоходы, и не было бы сельскохозяйственной техники.
Учитель. Да, вы правы. Все вокруг выглядело бы иначе. Мы с вами рассмотрели работу двигателя. Может кто-нибудь знает, сколько цилиндров имеет в автомобильном двигателе внутреннего сгорания у «Жигулей» или у «Запорожца»?
Ученик. В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.
Учитель. Правильно. 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.
Применение двигателей внутреннего сгорания очень огромно. Особо хочу отметить применение их в сельском хозяйстве. Их устанавливают на тракторах, самоходных шасси, самоходных комбайнах, на передвижных электростанциях, питающих энергией строительные агрегаты, а так же на стационарных установках – электростанциях, насосных станциях и на многих других агрегатах.
Физик. Всякий тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом, так как газ, совершив работу, еще обладает энергией.
Для оценки теплового двигателя очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, он превращает в полезную работу.
Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя (КПД).
Отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, ко всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, называют КПД теплового двигателя. Но об этом мы с Вами поговорим подробнее на следующем уроке.
Сегодня мы познакомились с устройством и принципом работы различных тепловых двигателей. Конечно, ДВС приносит огромную пользу, но в тоже время они оказывают заметное вредное влияние на окружающую среду. Об этом нам расскажет эколог.
Эколог. Выхлопы ДВС представляют собой сильные окислы свинца и углерода. Эти соединения пагубно влияют на окружающую среду, приводят к сильному загрязнению атмосферы, а также вредны для живых организмов, кроме этого они вызывают порчу ценных архитектурных сооружений. Поэтому в настоящее время ведется работа по производству экологически чистых двигателей.
Учитель. Итак, мы закончили изучение новой темы. Давайте поблагодарим пришедших на этот урок людей.
Запишите домашнее задание: читать параграфы 21, 22.
