Урок физики в 8 классе по теме «Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели»

Урок физики в 8 классе

Тема : Работа газа и пара при расширении. Тепловые двигатели.

Цели урока:

• закрепить знания обучающихся по теме «Внутренняя энергия» 

• организовать деятельность обучающихся по освоению знаний «Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания».

• развивать логическое мышление обучающихся, коммуникативные способности, умение критически осмысливать информацию, выражать свою точку зрения.

Задачи урока:

Образовательные:

• сформировать у обучающихся представление о работе газа и пара при расширении, входящее в систему знаний   взглядов на мир;

• сформировать навыки объяснения результатов эксперимента и применения полученных знаний при решении задач.

Развивающие:

• систематизировать знания учащихся по изученному материалу темы “Тепловые явления”, анализ экологической опасности ДВС.

• развития умений обучающихся воспринимать и представлять  информацию в словесной, символической формах;

• формирования навыков анализа результатов эксперимента, умения делать  выводы на основе проведенного анализа развитие умения генерировать идеи, выявлять причинно-следственные связи;

• развития самостоятельности обучающихся;

• развития познавательного интереса обучающихся к физике.

Воспитательные:

• стимулирование познавательной активности при обсуждении работы двигателя, используя компьютер; содействовать патриотическому воспитанию, напомнив о роли русских изобретателей в истории;

• вовлечь в активную практическую деятельность.

Планируемые образовательные результаты

Предметные:

• формирование представления о физической сущности данных процессов с  учётом  МКТ.

•  изучить понятие и принцип работы тепловых двигателей, добиться понимания учащимися устройства ДВС и турбины, изучить принцип работы четырехтактного ДВС и турбины (добиться понимания и воспроизведения программного материала), организация усвоения формулы КПД тепловых двигателей,  провести анализ экологической опасности ДВС, формировать научное мировоззрение обучающихся.

Мета предметные результаты

Познавательные:

• осуществление расширенного  поиска информации  в пособие.

• развивать умения классифицировать объекты, выявлять причинно-следственные связи.

Коммуникативные:

формирование умений:

• организовывать и планировать учебное сотрудничество с учителем и сверстниками;

• определять цели и функции участников;

• планировать общие способы работы;

• учиться  полно и точно выражать свои мысли в соответствии с поставленными задачами.

Регулятивные:

• определение цели учебной деятельности, поиск самостоятельно средства для достижения цели;

• развитие внимания, памяти, логического и творческого мышления;

• формирование мотивации постановкой познавательных задач.

Личностные

• формирование осознанного, уважительного и доброжелательного отношения к другому человеку, его мнению, мировоззрению.

• формирование  готовности и способности вести диалог с другими людьми и достигать в нём взаимопонимания.

• формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности  к саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению и познанию.

• формирование умений управлять своей учебной деятельностью,

• формирование интереса к физике при анализе физических явлений.

Ход урока

Этап 1. Организационный момент

Повторение.

Ответим на вопросы по теме: Внутренняя энергия и способы её изменения.

1. Энергия……. (физическая величина, характеризующая способность тела, совершать работу.)

2. Внутренняя энергия….. ( это сумма кинетической энергии всех молекул из которых состоит тело и потенциальной энергии их взаимодействия. И еще нужно ответить на вопрос.)

3. Один из способов изменения внутренней энергии тела (теплопередача).

4. Источник энергии, используемый в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту (топливо).

5. Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).

6. От этой величины зависит скорость движения молекул (температура).

7. Единица измерения мощности (Ватт).

8. Процесс соединения молекул горючего с кислородом, при котором выделяется энергия (горение).

9. Единица измерения энергии (Джоуль).

10. Один из видов теплопередачи которое получаем от солнце (излучение).

Перечень УУД, выполняемых,  обучающимися на данном этапе.

• выражение своих мыслей с достаточной полнотой и точностью (К);

• аргументация своего мнения и позиции в коммуникации (К);

• учет разных мнений (К);

• Отвечают на приветствие учителя. (П);

• Выделение существенной информации из слов учителя. (П);

• Целеполагание (Р);

• Умение настраиваться на занятие(Р);

Этап 2. Постановка цели и задач урока

Применяем виды деятельности – совместную с учителем, совместно-распределенную между обучающимися, самостоятельную.

Выяснение темы урока и формулировка его цели. Постановка проблемного вопроса.

Перечень УУД, выполняемых, обучающимися на данном этапе.

• анализ,  сравнение, обобщение, аналогия, классификация, сериация (П);

• волевая саморегуляция в ситуации затруднения (Р);

• выражение своих мыслей с достаточной полнотой и точностью (К);

• аргументация своего мнения и позиции в коммуникации (К);

• учет разных мнений (К);

• использование критериев для обоснования своего суждения (К)

• объяснять явления, процессы, связи и отношения, выявляемые в ходе исследования совместно с учителем(П);

• строить логическое рассуждение, включающее установление причинно-следственных связей(П);

• осознанное и произвольное построение речевого высказывания (П);

• прогнозирования как предвидения будущих событий и развития процесса. (Р);

Назовите способы изменения внутренней энергии

Ответ: теплопередача и совершение работы.

Опыт. Возьмём пробирку, нальём туда немного воды и заткнём её пробкой. Затем начнём эту пробирку нагревать. Через некоторое время пар, образовавшийся в этой пробирке от закипающей жидкости, вытолкнет пробку наружу.

Учитель физики и обучающиеся.

Объясните результаты опыта.

Вопрос: Почему вылетела пробка. И как изменилась внутренняя энергия.

Какие превращения энергии произошли в ходе этого эксперимента?

Ответ: При кипении воды в пробирке образуется пар. Под давлением пара выскочила и поднялась вверх. Энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара. А пар расширяясь, совершил работу – поднял пробку. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру.

Если теперь вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки – поршень

Вопрос: Что получим? то получится простейший тепловой двигатель.

Как вы думаете, о каком способе изменения внутренней энергии пойдет речь сегодня на уроке.

Ответ: Мы будем говорить о совершении работы.

Итак, записали тему урока "Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания".

Отгадаем кроссворд.

Кроссворд

1. Процесс понижения температуры тела. (Температура)

2. Вещество, удельная теплоемкость которого равна 4200 Дж/кг  ^oС. (Вода)

3.  Жидкость, которая применяется в термометрах в районах Крайнего Севера. (Спирт)

4. Один из видов осадков. (Снег)

5. Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. (Плавление)

6. Физическая величина, которая характеризует степень нагретости вещества. (Температура)

7. Один из факторов, влияющих на скорость испарения. (Ветер)

8. Греческая буква, обозначающая удельную теплоемкость вещества. (Лямбда)

9.  Расплавленный металл, способный заморозить воду. (Ртуть)

По вертикали в выделенном столбике читаем «ДВИГАТЕЛЬ».

Этап 3. Первичное усвоение новых знаний

Применяем виды деятельности – совместную с учителем, совместно-распределенную между обучающимися, самостоятельную. Постановка проблемного вопроса, реализуются обучающие задачи урока, идёт активизация мыслительной и самостоятельной деятельности обучающихся, воспитывается чувство уверенности в высказывании своего мнения. развитие интереса изучения физики, расширение кругозора учащихся.

Перечень УУД,  выполняемых, обучающимися на данном этапе.

• выражение своих мыслей с достаточной полнотой и точностью (К);

• аргументация своего мнения и позиции в коммуникации (К);

• учет разных мнений (К);

• Выделение существенной информации из слов учителя. (П);

• Целеполагание (Р);

• Умение настраиваться на занятие (Р);

• объяснять явления, процессы, связи и отношения, выявляемые в ходе исследования совместно с учителем (П);

• строить логическое рассуждение, включающее установление причинно-следственных связей (П);

Работа с учебником.

Задания.

1. Записать определения теплового двигателя.

2. Какие переходы и превращения энергии происходят в них.

Тепловая машина –  это тепловой двигатель, работающий циклично. Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины,  реактивный двигатель. 

Делаем вывод: Устройство, превращающее  внутреннюю энергию топлива в механическую энергию называют тепловым двигателем.

Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара). Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Вопрос. Какие двигатели Вы знаете?  Поговорим о видах двигателей. Вам нужно записывать виды двигателей.

Схема:

Исторические сведения.

  История создания тепловых машин. 

В 1698 г. англичанин Томас Севери изобрёл паровой насос для откачки воды из шахт. А в 1705 г., познакомившись с работами Папена, слесарь Томас Ньюкомен получил патент на изобретённую им тепловую машину. Она была первой машиной, которая с успехом применялась для подъёма воды из шахт. Принцип её работы был таким: пар из котла выходил в цилиндр и поднимал его до самого верха. Затем под поршень цилиндра пускали воду, пар конденсировался, давление понижалось и атмосферное давление опускало поршень вниз.  Машина была  громоздкой и требовала огромного количества угля.    Понадобилось более 50 лет, прежде чем появился первый паровой двигатель непрерывного действия. Его создал наш соотечественник Иван Иванович Ползунов (в 1766 г.), русский механик. В первом из двух проектов Ползунова была разработана (впервые в мире) универсальная двухцилиндровая паровая машина непрерывного действия с рабочим валом, во втором конструкция была переработана и несколько упрощена применительно к конкретной задаче – приведению в движение воздуходувных мехов плавильных печей. При этом вторая машина была в 10 раз больше и в 15 раз мощнее первой. По расчётам исследователей, её мощность составляла от 30 до 40 л. с. Второй проект был воплощён самим Ползуновым, отдавшим этой работе все силы. Машина была выполнена целиком из метала (впервые в мире) и, хотя проработала всего два месяца, даже за такой короткий срок не только окупила все затраты, но и принесла немалый доход. Была пущена в Барнауле, с её помощью было расплавлено 9000 пудов серебряной руды.

Создателем универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. В 1784 г. ему пришла идея выводить пар из цилиндра, соединив в надлежащий момент цилиндр с пустым резервуаром, куда пар устремлялся бы сам. Так был изобретён конденсатор. Также Уатт внёс в свою машину такие усовершенствования, как центробежный регулятор ввода пара, золотник, паровая рубашка вокруг цилиндра, индикатор давления.

В 1803 г. в Париже на реке Сене американец Р. Фультон впервые испытал судно, движимое силой пара. А через 4 года по реке Гудзон уже ходил первый в мире колёсный пароход «Клермонт» с двигателем мощностью 20 л. с. В 1814 г. англичанин Джордж Стефенсон создал паровоз. В России отец и сын Черепановы, крепостные мастера уральского завода, тоже построили паровоз (в 1834 г.). Он вёз груз массой 32 т со скоростью 15 км/ч.В конце XIXв.  изменился паровой двигатель.   В 1884 г. англичанином Парсоном была создана первая многоступенчатая паровая машина.

История создания двигателя внутреннего сгорания.

Представить себе двигатель, работающий не так, как паровая машина, было трудно. Возникло представление, что любое рабочее тело должно обладать свойствами пара и попадать в цилиндр в виде однородной массы, нагретой до определённой температуры и поддерживаемой при определённом давлении. Таким рабочим телом могли стать продукты сгорания.Решение задачи использования продуктов сгорания заключалось в поиске  горючего.  Например, работы братьев Ньепсов. Идея замены дефицитного во Франции угля иным топливом витала в воздухе. Братья занимались поисками такого топлива, продукты сгорания которого можно было бы использовать в качестве рабочего тела, подобного пару. В качестве такового они применили ликоподий – семена спорового растения плауна. Этот чрезвычайно сухой, лёгкий и легковоспламеняющийся порошок использовался для эффектных вспышек во время театральных представлений. Можно считать, что первая официально зарегистрированная попытка создания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) была сделана почти одновременно с началом работ Ньепсов. На Всемирной выставке в 1893 г. в Чикаго высшей награды был удостоен образец двигателя первого русского завода керосиновых и газовых двигателей, в котором керосин подтекал к испарителю самотёком и воспламенялся с помощью металлической трубочки. Первый бензиновый двигатель был построен в России в 1884 г. моряком русского флота Костовичем для дирижабля. Импульсом для развития бензиновых двигателей послужило стремление использовать их на автомобиле. Совершенствование двигателей шло в тесном взаимодействии с совершенствованием производства.

Автором одного из самых крупных изобретений является Рудольф Дизель. По замыслу Дизеля, если воздух сжать до давления 33–35 атм и повысить вследствие этого его температуру до 500–700 °С, то топливо, вводимое туда, будет воспламеняться от соприкосновения с горячим воздухом. Конструкция дизелей претерпела существенные изменения. В 30-х гг. ХХ в. появляются мощные авиационные ДВС конструкторов А.А. Микулина и АД. Чаромского. Во время Великой Отечественной войны применялся авиационный дизель большой мощности АЧ-30 конструкции Чаромского.

Двигатели на лёгком топливе и дизели прочно занимают позиции практически единственного вида силовой установки для наземного транспорта и составляют существенную долю среди силовых установок водного транспорта. Конечно, современные ДВС конструктивно отличаются от самых первых образцов, но принципы преобразования теплоты в работу остались неизменными.

 История создания реактивных двигателей.

 одного из самых прогрессивных и перспективных видов тепловых машин – не так продолжительна, как история паровых турбин и ДВС. Своё начало она берёт в прошлом столетии. В разгар Первой мировой войны А.И. Тихомиров посылает прошение о предоставлении ему привилегии на разработку самодвижущихся в воде и в воздухе мин, в которых использовались ракетные двига­тели. Под руководством В.П. Глушко создаётся целая серия экспериментальных жидкостных ракетных двигателей – ОРМ. Первый, ОРМ-1, – с цилиндрическим соплом, водяным охлаждением и тягой до 20 кгс (1 кгс = 0,102 Н). В ОРМ-3 и ОРМ-5 двигатели охлаждались одним из компонентов топлива. В качестве окислителей использовались жидкий кислород, азотный тетроксид, азотная кислота, в качестве горючего – бензин, керосин.

В 1931 г. Ф.А. Цандер усовершенствовал свой ОР-1 – паяльную лампу, переделанную в ракетный двигатель (РД) и работавшую на воздушно-бензиновой смеси. В 1933 г. Цандер понял, что топливо для двигателей должно присутствовать уже в конструкции. Но эта идея до нашего времени так и не реализована. Реактивные двигатели на жидком топливе (ЖРД) создавались с использованием в качестве окислителя жидкого кислорода и азотной кислоты, которая в отличие от кислорода остаётся жидкой при нормальной температуре. В 1936–1937 гг. были разработаны двигатели с ручным и автоматическим пуском, регулируемой в полёте тягой, на высококипящем топливе. Они выдерживали до 50 запусков.

В.П. Глушко был разработчиком электрореактивных двигателей. Он удостоверился, что они понадобятся только на следующем этапе освоения космоса, а чтобы проникнуть в космос, потребуются жидкостные реактивные двигатели, о которых писал К.Э. Циолковский. В 1930 г. началась разработка ЖРД (цилиндрическое сопло с водяным охлаждением и тягой до 20 кгс). В марте 1933 г. бригада Цандера провела испытания ОР-2. В 1954 г. М.К. Тихонравов и С.П. Коряев предложили создать искусственный спутник Земли. Основным показателем совершенства РД является его экономичность. РД-107 был применён в космической ракете, её удельный импульс в пустоте составлял 310 с. Многокамерность позволила уменьшить длину двигателя и массу ракеты.
Вывод. Какими бы ни были различными паровые машины, ДВС и реактивные двигатели, работа их сводится к преобразованию внутренней энергии в механическую энергию, при наличии рабочего тела, нагревателя и холодильника

Этап 4. Первичная проверка понимания

Задания выполнить в парах задание на карточках.

Понимать на слух ответы обучающихся, уметь формулировать собственное мнение и позицию, уметь использовать речь для регулирования своего действия.

Перечень УУД, выполняемых, обучающимися на данном этапе.

• Выделение существенной информации. Логические умозаключения.(П)

• Осознанно и произвольно строят речевое высказывание в устной форме.(П)

• Понимать на слух ответы обучающихся, уметь формулировать собственное мнение и позицию, уметь использовать речь для регулирования своего действия.(К)

• Участвуют в обсуждении во фронтальном режиме.(П)

• Самоконтроль понимания заданий.(Р)

• Умение слушать. Принятие и сохранение учебной цели и задачи. Уточнение и дополнение высказываний обучающихся.(Р)

В – 1.

В топке паровоза сожгли 10 кг сухих дров с удельной теплотой сгорания 1.10⁷Дж/кг, при этом была совершена полезная работа 8 МДж. Определить КПД паровоза.

В – 2.

Двигатель внутреннего сгорания автомобиля совершил полезную работу 92 МДж. При этом он израсходовал 5 кг бензина с удельной теплотой сгорания 46.10⁶ Дж/кг. Определить КПД двигателя автомобиля.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов:

• при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

• сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.

Количество сжигаемого топлива таково, что выделяемые при горении продукты не успевают рассеяться, накапливаются и начинают вносить свою лепту в отлаженный, тонко согласованный механизм природы: меняется, состав воздуха в больших городах  накапливается углекислый газ, порождающий парниковый эффект.

Это приводит к постепенному повышению средней температуры на земле.

Последствия сжигания топлива: кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение атмосферы, загрязнение почвы, воды и др.

Человек не мыслит сейчас  своего существования без автотранспорта, но если посмотреть на это удобство с  другой стороны - с точки зрения загрязнение окружающей среды.

Состав выхлопных газов бензиновых и дизельных двигателей (г/мин)

Но все типы ДВС имеют небольшой КПД и выбрасывают в атмосферу огромное количество выхлопных газов.

Это постепенно приводит к экологической катастрофе , я думаю из за этого его скоро заменят другими типами двигателей.

Основные пути снижения экологического ущерба от транспорта выделятся в следующем:

1.Оптимизация движения городского транспорта;

2.Разработка альтернативных энергоисточников; Например электродвигателем

3. Дожигание и очистка органического топлива;

4. Создание  (модификация)  двигателей,   использующих альтернативные топлива;

5. Защита от шума;

6. Экономические инициативы по  управлению автомобильным парком и движением.

Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина – свинец. Состав выбросов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид. Данные вещества, при попадании органы дыхания вызывают довольно опасные заболевания. Самым страшным из них является рак легких, которому способствует долгое воздействие этих веществ на организм.

Предложить ученикам назвать пути ликвидации экологических проблем связанных с применением тепловых двигателей.

Этап 5. Первичное закрепление

Учитель.

Разъясняет задания по выполнению теста.

Контролирует самостоятельность работы над заданиями, задает наводящие вопросы при обсуждении ответов на вопросы теста. Разъясняет критерии выставления отметок за тест

Перечень УУД,  выполняемых, обучающимися на данном этапе.

Выполняют тест, решают задачи. Учатся правильно распределять время, отведенное на работу Обмениваются работами, проверяют правильность выполнения, ставят отметку.(П)

Осознанно и произвольно строят речевое высказывание в устной форме при проверке теста.(П)

Индивидуально работают с заданиями теста.

• Строят речевое высказывание при разборе ответов на вопросы теста. Оценивают  свою  деятельность  и деятельность соседа по парте одноклассник.

• Понимать на слух ответы обучающихся, уметь формулировать собственное мнение и позицию, уметь использовать речь для регулирования своего действия.

• Взаимоконтроль правильность выполнения заданий теста и знания правильных ответов.

• Умение слушать в соответствие с целевой установкой. Принятие и сохранение учебной цели и задачи. Уточнение и дополнение высказываний обучающихся. Осуществление взаимоконтроля.

Тест. Выберите верное утверждение:

Чтобы уменьшить загрязнения окружающего воздуха работающими тепловыми двигателями, необходимо

1. Более полное сгорание топлива в двигателях.

2. Более тщательная очистка газов, выделяющихся топками электростанций и двигателями внутреннего сгорания.

3. Поиск более «чистого» горючего.

4. Использование двигателей с небольшим КПД.

5. Не экономить воду, электроэнергию.

6. Не уничтожать зеленый покров земли

Этап 6. Информация о домашнем задании, инструктаж по его выполнению

Учитель физики. Формулировка домашнего задания, инструктаж по его выполнению.

§ 21, выучить определения, знать классификацию тепловых машин. Решить письменно задачу № 1142,1143 (В.И. Лукашик, сборник задач по физике для 7-9 классов).

Перечень УУД,  выполняемых,  обучающимися на данном этапе.

Слушают учителя и записывают домашнее задание в дневнике.(П)

Этап 7. Рефлексия (подведение итогов занятия)

• Что нового, интересного вы узнали сегодня на уроке?

• Как вы усвоили пройденный материал?

• Какие были трудности? Удалось ли их преодолеть?

• Пригодятся ли вам знания, полученные сегодня на уроке?

• Оцените, как прошел урок.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/558820-urok-fiziki-v-8-klasse-po-teme-rabota-gaza-i-