«Тепловые двигатели и охрана окружающей среды»



Скачать 77.33 Kb.
Дата13.01.2017
Размер77.33 Kb.
Просмотров455
Скачиваний1
ТипУрок
Название предмета - физика

Класс -10

УМК (название учебника, автор, год издания)- Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Сотский Н.Н. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. Просвещение 2010.

Уровень обучения -базовый.

Тема урока «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды».

Общее количество часов, отведенное на изучение темы «Термодинамика» - 8

Место урока в системе уроков по теме -7урок

Цель урока: изучить тепловые двигатели, раскрыть их роль и значение в современном мире.

Задачи урока

образовательные: познакомиться с историей создания тепловых двигателей, раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей, ознакомить учащихся с различными видами тепловых двигателей, показать их применение на транспорте, в энергетике, в промышленности и сельском хозяйстве; показать достоинства и недостатки различных двигателей, пути повышения КПД, рассмотреть влияние тепловых двигателей на окружающую среду и вопросы её охраны.


развивающие: организовать процесс познания как самостоятельную деятельность учащихся, развивать их умения работы с дополнительной литературой и ИКТ, коммуникативные умения, сотрудничество при работе в группе, культуру ведения дискуссии, презентации результатов своей познавательной деятельности.
воспитательные: формировать целостное представление обучающихся о мире (природе, обществе и самом себе), о роли и месте физики в системе наук.

Планируемые результаты

Предметные: знать определение и принцип работы теплового двигателя и формулу для расчета КПД, уметь объяснять принцип действия машин и знать способы обеспечения безопасности при их использовании.

Личностные: сформированность познавательных интересов, убежденность в возможности познания природы, в необходимости разумного использования достижений науки и технологий для дальнейшего развития человеческого общества, уважение к творцам науки и техники. Метапредметные: формирование умений воспринимать, перерабатывать и предъявлять информацию в словесной, образной, символической формах, анализировать и перерабатывать полученную информацию в соответствии с поставленными задачами, приобретение опыта самостоятельного поиска, анализа и отбора информации с использованием различных источников и новых информационных технологий для решения познавательных задач. Развитие монологической и диалогической речи, умения выражать свои мысли и способности выслушивать собеседника, понимать его точку зрения, признавать право другого человека на иное мнение; формирование умений работать в группе с выполнением различных социальных ролей, представлять и отстаивать свои взгляды и убеждения, вести дискуссию

Техническое обеспечение урока, оборудование, наглядность: компьютер учителя, мультимедийный проектор, презентация «Тепловые двигатели и охрана окружающей среды», модель двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины, таблицы с изображением тепловых двигателей, тексты для самостоятельной работы учащихся в группах.

Подготовительный этап.

За несколько дней до предстоящего урока распределяются задания по четырём группам. «Историки» готовят краткие исторические справки о создании первых тепловых двигателей и их изобретателях. «Инженеры-механики» информируют учащихся класса об общих принципах работы тепловых двигателей, «Конструкторы» характеризуют типы двигателей с указанием их достоинств и недостатков, «Экологи» поднимают проблему загрязнения окружающей среды в связи с работой тепловых двигателей и предлагают обсудить меры по охране природы. Учащиеся готовят доклады, рефераты, презентации по выбранной теме на свое усмотрение и дополнительно используют материал, предложенный учителем для работы групп.

Структура урока:

1.Организация класса - 1 минута.

2. Актуализация знаний учащихся - 2мин.

3.Самостоятельная работа учеников по предложенным темам в группах -10 мин.

4.Выступления представителей групп - 20 мин

5. Решение задач -10 мин.

6.Подведение итогов работы. Домашнее задание - 2 мин.

Содержание урока.

1. Организационный момент.

Учитель вместе с учащимися объявляет тему, цель и задачи урока с учётом подготовительной работы учеников к уроку.

2. Актуализация знаний учащихся.

Как вы считаете, почему именно в 19 веке произошёл мощный расцвет промышленности и транспорта? Конечно же, он был связан с изобретением и усовершенствованием тепловых двигателей - машин, преобразующих внутреннюю энергию топлива в механическую. Именно благодаря созданию и дальнейшему совершенствованию паровых машин, двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, реактивных двигателей стало возможным в дальнейшем быстрое передвижение по планете на разных автомобилях, поездах, теплоходах и самолётах, активно развивалась энергетика и промышленное производство. А с чего же всё начиналось?

Сегодня на уроке каждая группа обрабатывает и готовит к представлению информацию по обозначенной для них теме. Учащиеся могут заранее распределить между собой вопросы, и каждый готовит свой доклад отдельно, либо работают коллективно: одни находят интересный материал и излагают его, другие представляют презентацию.

3. Самостоятельная работа в группах по предложенным темам.

На столах заранее разложены материалы, литература для работы групп. Учитель выполняет роль консультанта, помогая учащимся правильно выстроить последовательность изложения материала.

Учащиеся образуют 4 группы, в каждой из которых назначен старший. Он то же помогает другим готовиться к ответу по теме и плану, предположенным данной группе.

Учащиеся работают на уроке самостоятельно с учебником, справочниками, дополнительной научно-популярной литературой, заранее сбрасывают на рабочий стол учителя свои небольшие презентации по предложенным темам

4.Выступления учащихся.

После того как ребята подготовятся (учитель предупреждает заранее об ограничении времени на подготовку),они начинают выступать со своими сообщениями, докладами, отвечают на вопросы одноклассников, идёт обсуждение докладов. От каждой группы выступает один главный докладчик, другие его дополняют.

Учитель акцентирует внимание класса на самом главном в выступлениях учащихся и подводит общий итог, заостряя внимание на том, что знать физические принципы действия тепловых двигателей важно каждому уважающему себя человеку, что решение экологических проблем, возникающих в связи с их использованием, жизненно важно для всех; что требуются усилия в масштабе земного шара; что каждый человек должен бороться за чистоту окружающей среды.

5.Решение задач.

После завершения выступлений докладчиков каждой группе предлагается для решения задача по тепловым двигателям, обсудив решение которой (при необходимости можно обратиться за помощью к учителю), они объясняют её у доски всему классу. Задачи для решения в группах в приложении. Аналогичные задачи для самостоятельного решения дома.

6.Подведение итогов урока. Домашнее задание: параграф 82,упр15(11,12).Готовиться к контрольной работе по теме «Термодинамика».

7. Рефлексия.

Приложения для работы в группах.

1.Для группы «Историки». Первые паровые машины. Изобретатели этих машин.

Еще в 16 веке некоторые ученые, как, например, Кардан и Порта, рассматривали силу расширения водяного пара. Порта даже придумал приспособление для подъема водяного столба, где использовалось разряжение, образующееся при конденсации водяного пара. В 1629 г. Джованни Бранка (1571-1640) задумал переделать эолипил Герона в настоящую паровую турбину. Но проект так и не был осуществлен.

Дени Папен (1647-1714), работавший в 1682 г. вместе с Гюйгенсом над созданием машины, в которой поршень внутри трубы подымался при помощи взрыва порохового заряда, помещаемого под цилиндром, в 1690 г. решил заменить пороховой заряд водой, выпариваемой с помощью нагрева. В процессе этих исследований он обнаружил увеличение температуры кипения воды с ростом давления. Во избежание возможного взрыва котла из-за слишком большого давления он применил изобретенный им предохранительный клапан.

Англичанин Эдуард Сомерсет (1601-1667) изобрел тепловую машину для подъема воды; это изобретение повторил позднее, в 1698 г., Томас Сэвери (1650-1715). В 1705 г. слесарь Томас Ньюкомен (1670-1730) получил патент на тепловую машину – первую машину, которая с успехом применялась для подъема воды. В машине Ньюкомена получаемый в котле пар поступал через клапан в цилиндр и поднимал в нем поршень, затем клапан закрывался, и пар конденсировался при охлаждении цилиндра водой. При этом поршень опускался вниз под действием атмосферного давления. Движение поршня через балансир передавалось насосу. Эта весьма несовершенная машина применялась десятилетиями, потребляя огромное количество тепла, главным образом из-за необходимости охлаждения цилиндра струями воды после каждого подъема поршня.

Детальное изучение паровой машины предпринял Джемс Уатт (1736-1819). Он намеревался прежде всего исключить потерю тепла за счет охлаждения цилиндра. В 1765 г. ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив его с пустым резервуаром, куда пар сам бы устремился. Так был изобретен третий элемент тепловой машины – конденсатор.Воодушевленный первым успехом, Уатт продолжал вносить в машину дальнейшие усовершенствования: он переделал ее в машину двойного действия (т.е. пар поступал по обе стороны от поршня), ввел центробежный регулятор ввода пара, золотник, паровую рубашку вокруг цилиндра, индикатор давления. Все это – элементы современного теплового двигателя, так что можно считать, что Уатт не усовершенствовал, а фактически изобрел паровую машину.

Наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (1729-1766), построил пароатмосферную машину раньше, чем это сделал Джеймс Уатт. Двигатель Ползунова коренным образом отличался от английских машин Сэйвери и Ньюкомена. Те были одноцилиндровые и пригодны лишь для откачки воды из шахт. Двухцилиндровый двигатель непрерывного действия Ползунова мог подавать дутье в печи и откачивать воду. Строилась машина Ползунова год и девять месяцев. Когда машина уже прошла первое испытание, изобретатель заболел скоротечной чахоткой и 16 (28) мая 1766 г., за несколько дней до завершающих испытаний, умер.23 мая 1766 г. ученики Ползунова Левзин и Черницын одни приступили к последним испытаниям паровой машины. Всего за три месяца работы машина Ползунова не только оправдала все затраты на её постройку, но и дала прибыль. Однако, 10 ноября 1766 г. после того, как у машины перегорел котел, она простояла без действия более 15 лет и в 1782 г. машина была разобрана.

Французский физик и инженер Карно Никола Леонард Сади (1796-1832) в 1814-1819 и 1826-1827 находился на военной службе в качестве инженера и в 1824 г. опубликовал сочинение “ Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развить эту силу”, в котором, исходя из невозможности создания вечного двигателя, впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в случае, когда тепло переходит от нагретого тела к более холодному (второе начало термодинамики). Только разность температур нагревателя и холодильника обусловливает отдачу (КПД) тепловой машины, природа же рабочего тела не играет никакой роли (теорема Карно). Труд Карно получил широкую известность в 1834году. Он ввел понятия кругового и обратимого процессов, идеального цикла тепловых машин, заложил тем самым основы их теории.

2. Для группы «Инженеры -механики» Двигатели внутреннего сгорания классифицируют:

- по назначению: транспортные, стационарные и специальные;- по виду топлива: легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо, мазут);

- по способу образования горючей смеси: внешнее (карбюратор, инжектор) и внутреннее (в цилиндре ДВС);

- по способу воспламенения: с принудительным зажиганием, с воспламенением от сжатия, калоризаторные.

Бензиновые карбюраторные двигатели – класс двигателей, в цилиндрах которых предварительно сжатая топливовоздушная смесь поджигается электрической искрой. Управление мощностью производится регулированием потока воздуха посредством дроссельной заслонки. Смесь топлива с воздухом готовится в карбюраторе, а затем поджигается с помощью искры, проскакивающей между электродами свечи.

В Бензиновых инжекторных двигателях смесеобразование происходит путем впрыска бензина во впускной коллектор или непосредственно в цилиндр при помощи распыляющих форсунок (инжектор). В механической системе впрыска дозация осуществляется плунжерно-рычажным механизмом с возможностью электронной корректировки состава смеси. В электронных системах смесеобразование осуществляется под управлением электронного блока.

В дизельных двигателях воспламенение топлива осуществляется без свечи зажигания. В разогретый от сжатия воздух через форсунку впрыскивается топливо, происходит его распыление, вокруг отдельных капель возникают очаги сгорания. Дизельный двигатель не подвержен детонации, поэтому в нем допускается высокая степень сжатия (26), КПД может превышать 50% (судовые двигатели). Дизельные двигатели менее быстроходны, характеризуются большим крутящим моментом на валу, работают на тяжелом топливе (солярка, мазут). Недостатки: требуют повышенной прочности конструкции, увеличения габаритов, веса, увеличения стоимости; характеризуются выбросами сажи и повышенным содержанием оксидов азота в выхлопных газах.

Для газовых двигателей топливом являются углеводороды, находящиеся в газообразном состоянии при нормальных условиях (пропан-бутан или природный газ – метан). Смеси сжиженных газов хранятся в баллоне под давлением до 16 атмосфер и всасываются двигателем через воздушно – газовый смеситель. Зажигание осуществляется при помощи искры. Сжатые природные газы хранятся в баллонах под давлением 150-200 атм. Генераторный газ получают, превращая твердое топливо (уголь, торф, древесину) в газ. Газогенераторные автомобили получили широкое распространение в 30-40 годы 20 века в связи с нехваткой бензина.



3. Для группы «Конструкторы»


двигателя внутреннего сгорания. Справа показано присоединение шатуна к поршню
Бензиновый двигатель внутреннего сгорания. Самый распространенный тип современного теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания устанавливаются на автомобилях, самолетах, танках, тракторах, моторных лодках и т. д. Двигатели внутреннего сгорания могут работать на жидком топливе (бензин, керосин и т. п.) или на горючем газе, сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева (газогенераторные двигатели).Основной частью двигателя внутреннего сгорания является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание топлива. Отсюда и название двигателя. Внутри цилиндра может передвигаться поршень. Поршень представляет собой полый, с одной стороны закрытый цилиндр, опоясанный пружинящими кольцами, вложенными в канавки на поршне (поршневые кольца). Назначение поршневых колец — не пропускать газы, образующиеся при сгорании топлива, в промежуток между поршнем и стенками цилиндра (показаны штриховой линией). Поршень снабжен металлическим стержнем («пальцем»), служащим для соединения поршня с шатуном .Шатун в свою очередь служит для передачи движения от поршня коленчатому валу. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через один из каналов — впускной подается горючая смесь, через другой — выпускной выбрасываются продукты сгорания. Клапаны открываются при помощи кулачков, помещенных на кулачковом валу; при вращении вала кулачки поднимают клапаны посредством стальных стержней (толкателей). Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается так называемая свеча. Это — приспособление для зажигания смеси посредством электрической искры, получаемой от установленных на двигателе электрических приборов (магнето или бобины).


Весьма важной частью бензинового двигателя является прибор для получения горючей смеси — карбюратор. Его устройство схематически показано на рисунке. Работа самого двигателя состоит из четырех тактов. I такт — всасывание. Открывается впускной клапан , и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.II такт — сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь.



Смесь при сжатии нагревается. III такт — сгорание, рабочий ход. Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, даваемой свечой. Сила давления газов — раскаленных продуктов сгорания горючей смеси — толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются и давление их падает. К концу рабочего хода давление в цилиндре падает почти до атмосферного.IV такт — выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу. Из четырех тактов двигателя (т. е. за два оборота коленчатого вала) только один, третий, является рабочим. Ввиду этого двигатель должен быть снабжен массивным маховиком, за счет кинетической энергии которого двигатель движется в течение остальных тактов. Реактивные двигатели. Реактивная струя создается реактивным двигателем, являющимся по существу двигателем внутреннего сгорания. Воздух входит в переднее отверстие и попадает в компрессор, состоящий из ряда лопаток, укрепленных на вращающихся колесах. Компрессор гонит воздух вдоль оси двигателя, уплотняя его при этом. После компрессора воздух поступает в камеру, в которую впрыскивается горючее. Получается горючая смесь, которая воспламеняется, образуя газы высокой температуры и высокого давления. Газы направляются к выходному соплу, по пути приводя в действие газовую турбину, вращающую компрессор, а затем вырываются через сопло из заднего отверстия двигателя. Газы, покидающие двигатель и получающие огромную скорость в направлении назад, действуют на самолет с силой реакции, направленной вперед.




Степень сжатия есть отношение объема газа в цилиндре при положении поршня I к объему при положении поршня II
Коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания. Условия, при которых производится работа в двигателе внутреннего сгорания сходны с условиями, при которых производится работа в паровом двигателе. Здесь тоже имеется наличие разности температур: с одной стороны, источник тепла (в данном случае источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота,— атмосфера; она играет роль холодильника.Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси внутри цилиндра, довольно высока (свыше 1000 °С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания может быть значительно выше к. п. д. паровых двигателей. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания равен обычно 20—30 %. Двигатель Дизеля. Как повысить к.п.д. двигателя внутреннего сгорания? И расчеты и опыты показывают, что для этого надо употреблять большую степень сжатия (отношение между наибольшим и наименьшим объемами цилиндра, см. рис.). При большом сжатии горючая смесь сильнее нагревается и получается более высокая температура во время горения смеси. В двигателях автомобильного типа нельзя употреблять сжатие более 4—5-кратного. При большей степени сжатия горючая смесь нагревается в течение второго такта настолько, что воспламеняется раньше, чем нужно, и детонирует. Это затруднение обойдено в двигателе, сконструированном в конце XIX века Р. Дизелем (двигатель Дизеля или просто дизель). В дизеле подвергается сжатию не горючая смесь, а чистый воздух. Сжатие применяется 11—12-кратное, причем получается нагревание воздуха до 500— 600 °С. Когда сжатие заканчивается, в цилиндр впрыскивается жидкое топливо. Делается это при помощи особой форсунки, работающей от сжатого воздуха, нагнетаемого компрессором. Зажигание разбрызганного и испарившегося топлива происходит вследствие высокой температуры, получившейся в цилиндре при сжатии, и не требует никаких вспомогательных поджигающих устройств. Дизель оказался более экономичным двигателем, чем бензиновый (к. п. д. около 38 %). Он может иметь значительно большую мощность. Дизели ставят на судах (теплоходах), тепловозах, тракторах, грузовых автомобилях. 4. Для группы «Экологи». Влияние тепловых двигателей на окружающую среду. При сжигании топлива в атмосферу выделяется углекислый газ, способный поглощать инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению ее температуры (парниковый эффект). Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, образуют химические соединения, неблагоприятно воздействующие на человека, животных и растения. Потребление кислорода при горении топлива снижает его содержание в атмосфере. Для охраны окружающей среды используют очистные сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, ограничивают использование тяжелых металлов, добавляемых в топливо, разрабатывают двигатели, использующие водород в качестве топлива (выхлопные газы состоят из паров воды), создают электромобили и автомобили на солнечных батареях. Повышение температуры на земле вследствие работы ДВС и ТЭС. Выброс в атмосферу работающими двигателями внутреннего сгорания вредных для растений, животных и человека веществ. ДВС и вибрации, шумы; их воздействие на человека. Паровые турбины электростанций и отчуждение земель под пруды для охлаждения отработанного пара. При сгорании топлива в тепловых двигателях в атмосферу поступают: сернистые соединения; оксид углерода; оксид азота; пыль; сажа; соединение свинца и др. металлы. Выбросы содержат такие металлы, как свинец, ртуть, ванадий, никель, а также радиоактивные элементы. Потребность тепловых двигателей в топливе и воде. Каковы пути преодоления обществом вредных последствий работы тепловых двигателей для окружающей среды и меры их предупреждения? - Рост экономичности двигателей и ТЭС. - Использование новых сортов топлива и новых технологий их сжигания. Утилизация отходов. Способы снижения шума и вибраций. Перспективными являются разработки электромобилей, двигателей, работающих на смеси водорода и кислорода, автомобилей работающих на солнечной энергии.
5. Задачи для решения в группах (по одной для каждой).

1. В идеальной тепловой машине КПД 25%.Температура холодильника 22оС.Каждую секунду рабочее тело в машине отбирает от нагревателя 16кДж теплоты. Какова мощность машины и какова температура нагревателя?

2. Газ, совершающий работу по циклу Карно ¾ теплоты, полученной от нагревателя, отдаёт холодильнику, температура которого 0оС. Какая температура нагревателя?

3. Температура нагревателя 150оС, а холодильника 20оС.Определите,какую работу совершает идеальная машина за счёт 100МДж энергии, полученной от нагревателя?



4. Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 17 оС температуру нагревателя повысить от 127оС до 447оС

Список литературы.

  1. 1.Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Сотский Н.Н. Физика: Учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. Просвещение 2010.

  2. В.А.Волков. Универсальные поурочные разработки по физике: 10 класс.-М.:ВАКО, 2011г.

  3. Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики. М.: Наука, 1985.

  4. Луппов Г.Д. Молекулярная физика и электродинамика в опорных конспектах и тестах. М.: Просвещение, 1992г .

  5. Физический энциклопедический словарь под редакцией Прохорова А.М., М.: Советская энциклопедия, 1983г.


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©nethash.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал