Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. 9 класс
методическая разработка по физике (9 класс)

        МБОУ «Симферопольская академическая гимназия» муниципального образования городской округ                      Симферополь Республики Крым

                        Методическая разработка

             Урок формирования новых знаний по теме:

         «Принцип действия тепловых двигателей и их КПД».

                                                 9 класс

Учитель физики высшей   квалификационной категории

Дробот Нина Михайловна

г. Симферополь

                                           2020 - 2021 учебный год         

Тема урока. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД

Цели урока:

Образовательная: изучить принцип работы реальных тепловых двигателей и идеального двигателя работающего по циклу Карно; показать важность применения тепловых машин в жизни человека; рассмотреть возможные пути повышения КПД реального двигателя и экологические проблемы использования тепловых двигателей.

Развивающая: развивать у обучающихся любознательность, интерес к техническому творчеству, уважения к научным достижениям учёных и инженеров; развивать умения выполнять задания по имеющемуся образцу; применять полученные знания для решения задач; развивать наблюдательность, самостоятельность; обеспечить предметные связи между физикой и математикой; развитие самостоятельности в приобретении знаний при решении задач с использованием информационных технологий.

Воспитательные: воспитывать интерес к предмету через практическую значимость изучаемого материала; обеспечить благоприятную психологическую обстановку, мотивацию обучающихся к учебной деятельности (через посильность заданий и ситуации успеха); способствовать эстетическому воспитанию обучающихся.                                                                                                                                           Задачи урока: обеспечить усвоение знаний о принципе работы тепловых машин и их применении; формировать умение анализировать процесс превращения внутренней энергии пара в механическую энергию и вычислять КПД тепловых машин.

Тип урока: урок усвоения новых знаний.

Методы обучения:

-  словесные (дискуссия, рассказ, беседа)

- демонстрация (модели тепловых машин)

- проблемно-поисковые

- интерактивные «Микрофон», «Учась учу», «Зигзаг», «Снежный ком».

Педагогические технологии:

- интерактивные

- информационно-коммуникативные

Формы работы с обучающимися:

- индивидуальная

- групповая

Материально-техническое обеспечение:

Мультимедиа проектор, электронная презентация «Тепловые двигатели», плакат, микрофон.                                                                                                                                            Межпредметные связи: предмет «Математика»

 Внутри предметные связи: предмет «Физика2 – тема «Внутренняя энергия. Работа и теплопередача. Первый и второй законы термодинамики».

Планируемые результаты

Предметные: научатся объяснять принцип работы и устройство ДВС; приводить примеры применения тепловых двигателей на практике, научатся рассчитывать КПД тепловых машин.

Метапредметные:

познавательные – выделять и формулировать познавательную цель4 уметь работать с учебником и другими источниками информации; проводить анализ информации;

регулятивные – выделять и осознавать, что уже усвоено и что еще подлежит усвоению;

коммуникативные – осознанно использовать речевые средства в соответствии с задачей коммуникации для выражения своих мыслей и потребностей.

Личностные: формирование отношения к учению, саморазвитию и самообразованию на основе мотивации к обучению.

  План урока:

1. Организационный момент.
2. Актуализация опорных знаний.
3. Мотивация учебной деятельности.
4. Изучение нового материала.
5. Первичное закрепление изученного материала.
6. Подведение итогов. Рефлексия.
7. Домашнее задание.

               Ход занятия

1.Организационный момент                                                                                       Приветствие. Проверка готовности учащихся к уроку. Создание в классе атмосферы психологического комфорта.

2.Актуализация опорных знаний

А) Интерактивная технология «Микрофон»

1. Как определить изменение внутренней энергии согласно первого закона термодинамики?

2. На что расходуется количество теплоты, переданное системе?

3. Заселите формулами остров «Энергия».

4 Опишите характер теплообмена газа в каждом процессе, составляющем замкнутый цикл.

            3. Сообщение темы (слайд 1).

«Единственный путь, ведущий к знанию – это деятельность» Б. ШОУ.

            4. Мотивация учебной деятельности

Учитель сообщает о продолжении изучения закона сохранения энергии в тепловых процессах и предлагает учащихся закончить предложение: «Мне необходимо изучение законов и правил термодинамики на занятие физики потому, что …», «Я хочу знать, как …»

Учащиеся формулируют цель и задачи занятия (слайд 3).                                           Задачи занятия: выясним, какие машины являются тепловыми двигателями; рассмотрим основные виды двигателей и их применение; изучим влияние тепловых двигателей на окружающую среду; определим возможные пути выхода из сложившейся экологической ситуации.

             5. Изучение нового материала

«Паровая машина сможет увеличить власть человека над природой…». Дж. Уатт.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии, источниками которой являются различные виды топлива, ветер, Солнце, приливы и отливы. Существуют различные виды машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Мы рассмотрим один из типов машин – тепловой двигатель. Но для этого давайте заглянем в историю создания тепловых двигателей (слайд 4,5,6). Первую паровую машину построил в 90-х годах ХV11 в. французский изобретатель Дени Папен. Она была весьма несовершенна. Наиболее удачной была машина, построенная англичанами              Т. Ньюкоменом и его помощником Коули. Их машина начала работать в 1711. Она приводила в движение насос. В 1766 г. была запущена паровая машина, построенная русским техником И.И. Ползуновым. Потом её усовершенствовал англичанин Джемсон Уатт.

Тепловым двигателем называют устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива. (слайд 7)

Тепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой тепловой машине должно быть рабочее вещество, или тело, которое в рабочей части машины совершает механическую работу; нагреватель, где рабочее вещество получает энергию и холодильник отбирающий у рабочего тела тепло. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.

В процессе работы теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя некоторое количество теплоты и превращает его в механическую работу, а не превращенную часть теплоты передаёт холодильнику. По закону сохранения энергии Q1 = Q2 + A (слайд 8). Работа любого двигателя циклична. Каждый цикл состоит из разных процессов:

- получение энергии от нагревателя;

- рабочего хода (расширение рабочего тела и превращение части полученной энергии в механическую);

- передачи неиспользованной части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника – необходимое условие для непрерывной работы любого теплового двигателя.

Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводиться КПД. (слайд 9)

В цикличном тепловом двигателе нельзя преобразовывать в механическую работу все количество теплоты, полученное от нагревателя. Некоторое количество он отдает холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл не может быть больше А = Q1 –Q2. Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде

                                 КПД = (Q1 – Q2)/ Q1

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы. Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т.е. при Q2 = 0.

Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии, без них невозможно представить современный транспорт. Существуют несколько видов тепловых двигателей (слайд 10): поровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.

Изучение видов тепловых двигателей по методу «зигзаг».

Формируются экспертные группы (паровые и газовые турбины, паровая машина, реактивный двигатель) по одному ученику от каждой рабочей группы. Каждая экспертная группа работает над своим видом теплового двигателя (сначала индивидуально, потом обсуждают) (слайд 11). Ученики возвращаются в рабочие группы и обучают остальных своей части материала. Проверка рабочих групп в ходе фронтального опроса.

Говоря о недостатках тепловых двигателей, мы говорим о загрязнении окружающей среды: при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха; сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.

 Экологические последствия работы тепловых двигателей.

Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания). Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает всё живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца. (краткое сообщение учащихся) Парниковый эффект (слайд 12). Что такое «парниковый эффект» нам расскажет об этом эксперт (выступление эксперта).

Проблемный вопрос

Какие вы видите пути преодоления экологической катастрофы от использования тепловых двигателей? (беседа с учащимися про альтернативные виды энергии)

              6. Первичное закрепление изучаемого материала

Фронтальная беседа:

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

• Какие машины называют тепловыми двигателями?
• Какие виды тепловых двигателей вы знаете?
• Что является рабочим телом в тепловых двигателях?
• Может ли КПД теплового двигателя быть больше 100%? Почему?
• Решить задачу. (слайд 13)

Тепловая машина имеет КПД 40%. За один цикл работы она отдает холодильнику количества теплоты 600 Дж. Какое количество теплоты при этом получает машина от нагревателя?

Дано:                              Решение

КПД= 40% =0,4                     КПД=(Q1 – Q2)/ Q1            КПД * Q1=Q1 – Q2

Q2 = 600 Дж                               Q1 = Q2/ 1- КПД

Q1 - ?                                            Q1 = 600Дж/ 1 – 0,4 = 1000 Дж  

           Ответ: Q1 = 1000 Дж                                                                                                                                                    * Тест. (слайд 14) Ответы. (слайд 16)                                                                                                      Под какими номерами расположены детали ДВС: шатун, поршень, цилиндр, свеча, маховик, коленчатый вал, клапан впускной, клапан выпускной?

8. Подведение итогов занятия. Рефлексия.

Какая была цель нашего занятия? Достигли ли мы поставленных задач?

- Что узнали на занятии?

- Чему научились?

- Как применили полученные знания?

- Как вы оцениваете свою деятельность на занятии?

Учитель заканчивает занятия словами А. Дистервега: «Развитие и образование ни одному человеку не могут быть даны или сообщены. Всякий, кто желает к ним приобщиться, должен достигнуть этого собственной деятельностью, собственными силами, собственным напряжением». (слайд 15)

 Оценивание учащихся

9. Домашнее задание                                                                                                                                  А) Параграф 20 прочитать, 19 повторить.

В) Составить кроссворд по теме «Двигатели».