Т.В.Гайдай,
МОУ СОШ п. Молодёжный, Московская обл.
КПД тепловых двигателей
Урок-исследование. Учебник А.В.Пёрышкина. 8-й класс
Цель: продолжить заинтересовывать учащихся исследовательской деятельностью, создавать модели тепловых двигателей и исследовать условия для их наиболее эффективной работы; развивать устную речь, учить употреблять специальные термины; добиться усвоения учащимися понятия КПД.
Оборудование: рисунки тепловых двигателей; для исследовательской работы на уроке – мензурка с водой (100 мл), весы с разновесами, таблетка сухого спирта, штатив с закреплёнными термометром и кольцом, на которое кладётся сетка и устанавливается сосуд с водой; модели тепловых двигателей; графопроектор; кодограммы (таблица, в которую вносятся значения измерений и вычислений в ходе исследовательской работы, диаграмма распределения энергии для карбюраторного ДВС); телевизор и видеомагнитофон, видеозаписи, сделанные в ходе создания тепловых двигателей с проверкой их работы (на случай, если на уроке что-то не сработает, – но у нас все двигатели работали отлично!)
Ход урока
1. Вводный этап
Учитель. Ребята! Мы сегодня продолжим разговор о тепловых двигателях. Наша цивилизация – машинная, причем большая часть машин – тепловые машины разных видов. На многих электростанциях электрическая энергия вырабатывается за счёт внутренней энергии пара; автомобили, самолёты движутся, используя энергию сгоревшего топлива. Тепловые двигатели – это великое достижение человеческой культуры, научной мысли землян.
Урок ведёт Татьяна Викторовна Гайдай – учитель с 13-летним стажем. На кафедре – модели тепловых двигателей, изготовленные её учениками к этому уроку. По её левую руку – модель фонтана, изготовленная Алиной Баштанниковой
2. Повторение
Учитель. На прошлом уроке мы с вами вели разговор о том, кто и когда изобретал различные тепловые двигатели. Ещё раз вспомним об этом. Что больше всего вам запомнилось?
Учащиеся. III в. до н.э. – Архимед, пушка, стреляющая за счёт энергии пара. ...II в. до н.э. – Герон, шар, вращающийся за счёт энергии пара (прообраз реактивного двигателя). ...XV в. – Италия, Леонардо да Винчи – рисунки, на которых изображён цилиндр, в нём, под поршнем, вода, цилиндр подогревается. ...XVI в. – Италия, Джованни Бранка – колесо с лопатками, в которые ударяла струя пара (прообраз паровой турбины). ...XVII в. – Франция, Дени Папен – цилиндр с порохом под поршнем, а затем цилиндр с водой под поршнем. Для повторной работы необходимо обливать холодной водой. ...Англия – Ньюкомен, паровая машина для откачивания воды из шахты. Поршень опускался под действием атмосферного давления. ...XVIII в., русский механик И.Ползунов – паровая машина непрерывного действия. ...XIX в., Дж.Уатт – универсальный паровой двигатель. ...О.Дизель – ДВС.
Учитель. Так что же называют тепловым двигателем?
Учащиеся. Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую.
Учитель. Какие виды тепловых двигателей вы знаете? (Дети отвечают.)
3. Исследовательская работа
Учитель. Прошу трёх учеников выполнить исследовательскую работу. (Работа поставлена по статье Л.Ю.Антропова «Авторская программа и лабораторный практикум “Тепловые явления”. 8-й кл. Угл. курс» в газете «Физика» № 29/2000.) Используя оборудование, находящееся на столе, определите, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива (сухого спирта), необходимое для нагревания воды от комнатной температуры до 50 °С. Рассчитайте, какое количество теплоты пошло на нагревание воды. Попробуйте объяснить полученные результаты. В ходе работы, пожалуйста, заполните кодограмму, которая лежит у вас на столе.
4. Презентация моделей тепловых двигателей
Учитель. Мы с вами создали несколько моделей тепловых двигателей. Давайте рассмотрим принцип их действия. (К демонстрационному столу выходят ученики и представляют выполненные своими руками модели тепловых двигателей.)
Фонтан (изготовил А.Баштанников). Берём две колбы, наливаем в одну подкрашенную воду. Обе колбы закрываем плотно пригнанными пробками, через которые пропущены стеклянные трубочки, и соединяем между собой резиновой трубкой. В колбу с жидкостью пропускаем ещё одну стеклянную трубочку. Под колбу с воздухом кладём сухой спирт и поджигаем его. Воздух нагревается и расширяется, его давление возрастает и, по закону Паскаля, передаётся во все стороны одинаково, в том числе и на жидкость во второй колбе. Под действием силы повышенного давления вода поднимается по трубочке вверх и начинает бить фонтаном.
Итак, внутренняя энергия топлива перешла во внутреннюю энергию воздуха: воздух, расширяясь, совершает работу и охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию струи жидкости.
Модели пароходов (изготовил Тимур Иванов)
Пароход (исп. Т.Иванов). Из алюминиевой фольги делаем корпус парохода, на дно в металлическую крышечку (из-под диафильмов) кладём сухой спирт. Из яйца через два отверстия, проделанных иголкой, выдуваем содержимое, пустое яйцо промываем, одно отверстие заклеиваем, заполняем яйцо с помощью шприца на треть водой и устанавливаем с помощью алюминиевого держателя (например, стержня от прибора для демонстрации правила Ленца) на пароход. Спирт поджигаем – вода закипает, образуется пар. Вырываясь струёй, он заставляет пароходик двигаться в противоположную сторону.
Итак, внутренняя энергия топлива превратилась во внутреннюю энергию воды, а затем водяного пара. Пар, расширяясь, вырывается из отверстия и, совершая работу, охлаждается. Пароходик, по 3-му закону Ньютона, движется.
Модель реактивной тележки (изготовил Влад Козловский)
Реактивная тележка (исп. В.Козловский). К тележке полоской жести (от консервной банки) крепим пробирку с небольшим количеством воды и плотно закрываем её пробкой. Поджигаем спирт. Вода закипает, образуется пар, его внутренняя энергия возрастает, давление пара увеличивается, и он, расширяясь, выталкивает пробку, совершая работу, а тележка откатывается назад.
Итак, внутренняя энергия топлива перешла во внутреннюю энергию воды, а затем пара; пар, расширяясь, совершает работу; часть его энергии превращается в механическую энергию пробки, тележка, по 3-му закону Ньютона, откатывается назад.
Модель паровой турбины (изготовил Алексей Растворов)
4. Паровая турбина (исп. А.Растворов). Пробирку с водой плотно закрываем пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка. Из фольги делаем вертушку и крепим её на булавке к деревянной планке, которую вставляем в штатив. Пробирку устанавливаем наклонно на другом штативе и поджигаем сухой спирт. Образующийся водяной пар под большим давлением вырывается через трубочку, попадает на вертушку и заставляет её вращаться.
Итак, водяной пар, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, совершает работу, вращая вертушку, внутренняя энергия пара уменьшается, он охлаждается.
5. Обобщение
Учитель. Расскажите о четырёхтактном ДВС, используя модель двигателя. Какие превращения энергии происходят в тепловом двигателе? Как вы думаете, вся энергия топлива расходуется на совершение газом или паром работы? Вспомните, с какими трудностями вы столкнулись при создании моделей. На что расходовалась энергия сгоревшего топлива?
Посмотрим, какие результаты получились у наших исследователей. (Ребята рассказывают о своих измерениях и вычислениях (на экран проецируется кодограмма) и о том, на что, по их мнению, расходовалась энергия сгоревшего топлива.)
6. Объяснение нового материала
Запишите в тетради: «КПД теплового двигателя». Итак, в тепловых двигателях не вся внутренняя энергия пара или газа превращается в механическую энергию. Тепловой двигатель состоит из: нагревателя (камеры сгорания, парового котла); рабочего тела (газ, пар) и холодильника (внешняя среда, конденсатор). Важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу, т.е. в ту работу, ради которой он и создан. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.
Пусть Aп – полезная работа; Q1 – количество теплоты, поступившее от нагревателя; Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику: Aп = Q1 – Q2.
Определение: 
КПД паровой машины составляет 8–12%, паровой или газовой турбины 20–40%, ДВС 20–25% (у карбюраторных) и 30–36% (у дизелей).
Рассмотрим таблицу распределения энергии на примере карбюраторного ДВС (кодограмма):
Рассчитаем КПД нагревательной установки, использованной в нашей исследовательской работе.
Дано:
Q1;
Q2.
_________
КПД – ?
Решение
Ответ. КПД нагревательной установки …% означает, что … энергии сгоревшего спирта было израсходовано на нагревание воздуха.
7. ДЗ. § 24; § 23 изучить самостоятельно, на вопрос 2-3 ответить письменно (кратко). Повторить формулы § 13. Будем решать задачи, а через урок будет контрольная работа по теме «Изменение агрегатных состояний вещества».
8. Закрепление
Решение задач № 1143, 1144 (Лукашик В.И., 2001).
Литература
Перельман Я.И. Занимательная физика. – М.: Столетие, 1994.
Сауров Ю.А., Бутырский Г.А. Молекулярная физика: Модели уроков. – М.: Просвещение, 1998.
Шабловский В. Занимательная физика. Нескучный учебник. – СПб: Тригон, 1997.