Урок: 'Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания.

Тема урока: Ра­бо­та газа и пара при рас­ши­ре­нии. Дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния

Цель урока: рас­смот­рение ра­бо­ты газа и пара при рас­ши­ре­нии, изу­чение устрой­ства и прин­ципа дей­ствия дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния (ДВС),практическое использование дви­га­те­лей внут­рен­не­го сго­ра­ния, изучение схемы устрой­ства и прин­ципа ра­бо­ты че­ты­рёх­такт­но­го дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, пробирка с водой, спиртовка, модель двигателя внутреннего сгорания.

ХОД УРОКА:

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания: №

Объяснение нового материала:

• Виды энергии и машины

• Демонстрация опыта работы пара при расширении

• Тепловая машина Герона и паровой двигатель Уатта(самост.)

• Создание паровоза (самост.)

• Устройство и принцип работы ДВС

На этом уроке мы рас­смот­рим ра­бо­ту газа и пара при рас­ши­ре­нии, а также изу­чим дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния.

В 7 клас­се мы изу­ча­ли раз­лич­ные виды энер­гии, в част­но­сти, рас­смат­ри­ва­ли по­тен­ци­аль­ную энер­гию и ки­не­ти­че­скую энер­гию. Далее, в 8 клас­се был изу­чен ещё один вид энер­гии - внут­рен­няя энер­гия. Внут­рен­няя энер­гия лю­бо­го тела ха­рак­те­ри­зу­ет­ся тем­пе­ра­ту­рой, может из­ме­нять­ся, но самое глав­ное, что внут­рен­няя энер­гия может быть за­па­се­на в таком ве­ще­стве, как топ­ли­во. Топ­ли­во может быть раз­ным: жид­ким, твер­дым, га­зо­об­раз­ным, но самая глав­ная его осо­бен­ность - при сжи­га­нии топ­ли­ва вы­де­ля­ет­ся тепло.

В нашей жизни ис­поль­зу­ет­ся до­ста­точ­но боль­шое ко­ли­че­ство машин, и эти ма­ши­ны ис­поль­зу­ют раз­лич­ные виды энер­гии. Общей чер­той всех машин яв­ля­ет­ся то, что это устрой­ство, ко­то­рое пре­об­ра­зу­ет один вид энер­гии в дру­гой.

В нашей жизни ис­поль­зу­ет­ся до­ста­точ­но боль­шое ко­ли­че­ство машин, и эти ма­ши­ны ис­поль­зу­ют раз­лич­ные виды энер­гии. Общей чер­той всех машин яв­ля­ет­ся то, что это устрой­ство, ко­то­рое пре­об­ра­зу­ет один вид энер­гии в дру­гой.

Вна­ча­ле рас­смот­рим сле­ду­ю­щий про­стой 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 (Рис. 1). Что же про­изо­шло? Это след­ствие ра­бо­ты пара. То есть пар по­лу­чил энер­гию от со­жжен­но­го топ­ли­ва при на­гре­ва­нии и, рас­ши­ря­ясь, со­вер­шил по­лез­ную ра­бо­ту.

Если те­перь вме­сто про­бир­ки взять ме­тал­ли­че­ский ци­линдр, а вме­сто проб­ки - пор­шень, то по­лу­чит­ся про­стей­ший теп­ло­вой дви­га­тель.

Опре­де­ле­ние

Теп­ло­вой дви­га­тель - это устрой­ство, ко­то­рое пре­об­ра­зу­ет внут­рен­нюю энер­гию топ­ли­ва в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту.

Зна­че­ние ме­ха­ни­че­ской ра­бо­ты в жизни че­ло­ве­ка пе­ре­оце­нить тя­же­ло: эта ра­бо­та опре­де­ля­ет дви­же­ние транс­пор­та, пе­ре­воз­ку и подъ­ём гру­зов и мно­гое дру­гое. За­да­ча любой ма­ши­ны - пре­об­ра­зо­вать энер­гию в эту ра­бо­ту.

Рас­смот­рим по­дроб­нее ис­то­рию со­зда­ния пер­вых машин. Че­ло­век давно за­ду­мы­вал­ся о том, как по­стро­ить со­от­вет­ству­ю­щие ма­ши­ны.

Пер­вым таким че­ло­ве­ком (по до­шед­шим до нас све­де­ни­ям) был Герон Алек­сан­дрий­ский, ин­же­нер-изоб­ре­та­тель, ко­то­рый жил в I (по неко­то­рым дан­ным, во II) нашей эры (Рис. 2).

Рис. 2. Герон Алек­сан­дрий­ский ()

Он пер­вым со­здал свою зна­ме­ни­тую па­ро­вую ма­ши­ну, ко­то­рая на­зы­ва­ет­ся теп­ло­вой ма­ши­ной Ге­ро­на (Рис. 3).

Рис. 3. Теп­ло­вая ма­ши­на Ге­ро­на ()

Прин­цип дей­ствия этой ма­ши­ны за­клю­чал­ся в сле­ду­ю­щем: в сосуд с от­вер­сти­я­ми на­ли­ва­лась вода и по­ме­ща­лась над огнем. Вода за­ки­па­ла, через от­вер­стия с боль­шой ско­ро­стью вы­ры­вал­ся пар, и часть, под­ве­шен­ная над огнем, на­чи­на­ла вра­щать­ся. Это и был про­об­раз пер­вой теп­ло­вой ма­ши­ны.

Пер­вый теп­ло­вой дви­га­тель, ко­то­рый ис­поль­зо­вал­ся в ра­бо­те (а не был де­мон­стра­ци­ей пре­вра­ще­ния внут­рен­ней энер­гии в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту), был по­стро­ен в 1768 году в Ан­глии зна­ме­ни­тым ин­же­не­ром Джейм­сом Уат­том (Рис. 4) (в честь Уатта потом была на­зва­на еди­ни­ца мощ­но­сти).

Рис. 4. Джеймс Уатт ()

В 1768 году Уатт впер­вые скон­стру­и­ро­вал дви­га­тель, ко­то­рый на­зы­ва­ет­ся па­ро­вым. В этом дви­га­те­ле ис­поль­зо­ва­лась энер­гия рас­ши­ря­ю­ще­го­ся пара, ко­то­рая пре­вра­ща­лась в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту. В ре­зуль­та­те по­мо­щи од­но­го из круп­ных бан­ки­ров и за­вод­чи­ков Уатту уда­лось от­крыть фирму по про­из­вод­ству па­ро­вых машин (Рис. 5-6). Па­ро­вые ма­ши­ны ис­поль­зо­ва­лись на шах­тах и за­во­дах. В пер­вые де­ся­ти­ле­тия фирмы было со­зда­но 44 такие ма­ши­ны. В сле­ду­ю­щее де­ся­ти­ле­тие их было со­зда­но уже боль­ше 100.

Рис. 5-6. Па­ро­вая ма­ши­на Уатта () ()

Прав­да, су­ще­ству­ет вер­сия, что на два года рань­ше Уатта в 1766 году на Бар­на­уль­ском за­во­де была из­го­тов­ле­на пер­вая па­ро­вая ма­ши­на в Рос­сии. Изоб­ре­та­те­лем этой ма­ши­ны был Иван Пол­зу­нов (Рис. 7). Счи­та­ет­ся, что он сде­лал эту ма­ши­ну спе­ци­аль­но для за­во­да, чтобы ис­поль­зо­вать ее при ковке боль­ших де­та­лей. Сам Иван Пол­зу­нов ра­бо­ты этой ма­ши­ны не уви­дел, но 27 мая 1766 года эта ма­ши­на была за­пу­ще­на. Она про­ра­бо­та­ла боль­ше двух ме­ся­цев. За это время она пол­но­стью себя оку­пи­ла и вы­пол­ни­ла огром­ный объем ра­бо­ты. Но затем из-за неболь­шой непо­лад­ки ма­ши­на вышла из строя, и по­чи­нить её не уда­лось. По­это­му на се­го­дняш­ний день во всем мире счи­та­ет­ся, что пер­вым че­ло­ве­ком, ко­то­рый по­стро­ил пер­вый теп­ло­вой дви­га­тель, был Джеймс Уатт. Джеймс Уатт, в свою оче­редь, был про­тив того, чтобы ис­поль­зо­вать па­ро­вую ма­ши­ну на транс­пор­те. И по­это­му толь­ко позже, уже дру­ги­ми изоб­ре­та­те­ля­ми па­ро­вая ма­ши­на была по­став­ле­на «на ко­ле­са».

Рис. 7. Па­мят­ник Ивану Пол­зу­но­ву ()

Первую са­мо­дви­жу­щу­ю­ся те­леж­ку уда­лось сде­лать во Фран­ции в 1770 году. Эта те­леж­ка с укреп­лен­ным на ней па­ро­вым дви­га­те­лем пе­ре­ме­ща­лась со ско­ро­стью около и была пред­на­зна­че­на для пе­ре­воз­ки тя­же­лых ору­дий. Пер­вая по­езд­ка этого со­ору­же­ния ока­за­лась неудач­ной. Дело все в том, что с раз­го­на те­леж­ка въе­ха­ла в стену, сло­ма­ла её и угол дома. После этого было при­ня­то ре­ше­ние, чтобы те­леж­ку обя­за­тель­но со­про­вож­да­ли по­сто­рон­ние люди. Кста­ти, слово «шофер» - фран­цуз­ское, и на со­вре­мен­ный язык можно пе­ре­ве­сти это слово как «ис­топ­ник», т. е. «ко­че­гар». Че­ло­век, ко­то­рый уха­жи­вал за этой ма­ши­ной, и был, по сути, ис­топ­ни­ком, по­то­му что ма­ши­на была па­ро­вая и то­пи­лась дро­ва­ми.

В 1803 году по­явил­ся пер­вый па­ро­воз в Ан­глии, но ши­ро­ко­го при­ме­не­ния не по­лу­чил. Дело в том, что имен­но в этом транс­пор­те уви­де­ли кон­ку­рен­цию все, кто за­ни­мал­ся в то время пе­ре­воз­ка­ми, по­это­му ста­ра­лись ка­ким-то об­ра­зом по­ме­шать внед­ре­нию но­во­го вида транс­пор­та.

Кроме того, пер­вый па­ро­воз ока­зал­ся до­воль­но тя­же­лым: он был мас­сой около пяти тонн, и, когда он дви­гал­ся по рель­сам, ко­то­рые тогда ис­поль­зо­ва­лись для пе­ре­дви­же­ния конки, рель­сы и шпалы на­чи­на­ли ло­мать­ся. В даль­ней­шем был по­стро­ен дру­гой па­ро­воз, ко­то­рый ис­поль­зо­вал­ся как ат­трак­ци­он: катал людей в ва­го­нах в парке.

Но, по­сколь­ку про­гресс оста­но­вить нель­зя, в даль­ней­шем па­ро­вые дви­га­те­ли за­ме­ни­ли так на­зы­ва­е­мые дви­га­те­ли внут­рен­не­го сго­ра­ния.

Дело в том, что есть дви­га­те­ли внут­рен­не­го сго­ра­ния и дви­га­те­ли внеш­не­го сго­ра­ния. Па­ро­вая ма­ши­на от­но­сит­ся к дви­га­те­лям внеш­не­го сго­ра­ния (топка, где сжи­га­ет­ся топ­ли­во, на­хо­дит­ся вне па­ро­во­го котла).

Дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния - это дви­га­тель, где сго­ра­ние про­ис­хо­дит внут­ри са­мо­го дви­га­те­ля.

Такой дви­га­тель был изоб­ре­тен в конце XVII века во Фран­ции, и пер­вые ре­зуль­та­ты этого дви­га­те­ля был до­ста­точ­но успеш­ны­ми. В итоге этот дви­га­тель стали ис­поль­зо­вать на раз­лич­ных видах транс­пор­та. В 1860 году фран­цуз­ский ин­же­нер Ле­ну­ар изоб­рел и по­стро­ил так на­зы­ва­е­мый дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния Ле­ну­а­ра. В этот дви­га­тель по­сту­па­ла смесь све­тиль­но­го газа и воз­ду­ха, ко­то­рая сго­ра­ла внут­ри дви­га­те­ля и тем самым обес­пе­чи­ва­ла его ра­бо­ту.

В даль­ней­шем этот дви­га­тель усо­вер­шен­ство­вал немец­кий ин­же­нер Отто. Дви­га­тель Ле­ну­а­ра-От­то про­су­ще­ство­вал очень дол­гое время. Его ис­поль­зо­ва­ли в раз­лич­ных транс­порт­ных сред­ствах.

Сле­дом за дви­га­те­лем Ле­ну­а­ра-От­то немец­ко­му ин­же­не­ру Готт­ли­бу Дайм­ле­ру уда­лось со­здать бен­зи­но­вый дви­га­тель. С этого мо­мен­та на­чи­на­ет­ся ис­то­рия немец­ко­го ав­то­про­ма.

На се­го­дняш­ний день дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния хо­ро­шо изу­чен и мно­го­крат­но усо­вер­шен­ство­ван.

Рас­смот­рим макет ос­нов­ной части дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния (Рис. 8).

Рис. 8. Схема ДВС ()

Глав­ная часть лю­бо­го дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния - это ци­линдр. В этом ци­лин­дре рас­по­ла­га­ет­ся пор­шень. Пор­шень черезшатун со­еди­ня­ет­ся с ко­лен­ва­лом (в дан­ной схеме на рис. 8. - ма­хо­ви­ком). Также в этом дви­га­те­ле преду­смот­ре­ны два кла­па­на:впуск­ной и вы­пуск­ной. И есть ещё один неотъ­ем­ле­мый эле­мент дви­га­те­ля, - свеча за­жи­га­ния.

Как же ра­бо­та­ет такой дви­га­тель? Такой дви­га­тель на­зы­ва­ет­ся че­ты­рех­такт­ным. По­то­му что вся ра­бо­та дви­га­те­ля со­вер­ша­ет­ся в че­ты­ре такта. При этом дви­же­ние порш­ня про­ис­хо­дит верх и вниз. Да­вай­те опи­шем ра­бо­ту дви­га­те­ля по­дроб­нее.

Верх­няя точка, в ко­то­рой рас­по­ла­га­ет­ся пор­шень, на­зы­ва­ет­ся верх­неймерт­вой точ­кой. Внизу такая же точка на­зы­ва­ет­ся ниж­ней мерт­вой точ­кой, а весь ход порш­ня от одной точки до дру­гой на­зы­ва­ет­ся ходом. Итак, что же про­ис­хо­дит? В пер­вый такт от­кры­ва­ет­ся впуск­ной кла­пан, и через него про­ис­хо­дит впуск топ­ли­ва. В этот мо­мент сра­ба­ты­ва­ет свеча за­жи­га­ния, за­го­ра­ет­ся топ­ли­во. Топ­ли­во сго­ра­ет и тол­ка­ет пор­шень вниз. По инер­ции ма­хо­вое ко­ле­со сра­ба­ты­ва­ет, про­кру­чи­ва­ет даль­ше. Сле­ду­ю­щий шаг: от­кры­ва­ет­ся дру­гой кла­пан и через него вы­бра­сы­ва­ет­ся от­ра­бо­тан­ное топ­ли­во. То есть, вкрат­це схему ра­бо­ты дви­га­те­ля можно опи­сать так: впуск, сжа­тие, ра­бо­чий ход, вы­пуск, впуск, сжа­тие, ра­бо­чий ход, вы­пуск, … (Рис. 9).

Рис. 9. Прин­цип ра­бо­ты дви­га­те­ля ()

Ча­сто­та, с ко­то­рой про­ис­хо­дит дви­же­ние, до­ста­точ­но вы­со­ка. За одну ми­ну­ту может про­ис­хо­дить 3000 и даже 7000 таких вот дви­же­ний (обо­ро­тов). В неко­то­рых слу­ча­ях до­хо­дит даже до 15000 обо­ро­тов в ми­ну­ту.

В за­клю­че­ние стоит ска­зать, что ко­ли­че­ство топ­ли­ва (бен­зи­на, ке­ро­си­на, при­род­но­го газа), на ко­то­ром ра­бо­та­ет боль­шин­ство ны­неш­них дви­га­те­лей, огра­ни­че­но и стре­ми­тель­но убы­ва­ет. По­это­му в бли­жай­шее время воз­ник­нет ост­рая необ­хо­ди­мость при­ду­мы­вать новые виды транс­пор­та, в ко­то­рых будут ис­поль­зо­вать­ся дру­гие виды дви­га­те­лей.

Теп­ло­вые дви­га­те­ли пред­став­ля­ют собой до­ста­точ­но опас­ный объ­ект в плане за­гряз­не­ния окру­жа­ю­щей среды. По­это­му необ­хо­ди­мо ска­зать, что при про­ек­ти­ро­ва­нии дви­га­те­лей внут­рен­не­го сго­ра­ния необ­хо­ди­мо пом­нить об их эко­но­мич­но­сти и чи­сто­те того воз­ду­ха, ко­то­рый после этих дви­га­те­лей оста­ёт­ся.

Итак, мы рас­смот­ре­ли ра­бо­ту газа и пара при рас­ши­ре­нии, а также по­зна­ко­ми­лись со схе­мой и устрой­ством дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния.

На сле­ду­ю­щем уроке мы рас­смот­рим дру­гой вид теп­ло­во­го дви­га­те­ля - па­ро­вую тур­би­ну.

Спи­сок ли­те­ра­ту­ры

1. Ген­ден­штейн Л. Э, Кай­да­лов А. Б., Ко­жев­ни­ков В. Б. Фи­зи­ка 8 / Под ред. Ор­ло­ва В. А., Рой­зе­на И. И. - М.: Мне­мо­зи­на.

2. Пе­рыш­кин А. В. Фи­зи­ка 8. - М.: Дрофа, 2010.

3. Фа­де­е­ва А. А., Засов А. В., Ки­се­лев Д. Ф. Фи­зи­ка 8. - М.: Про­све­ще­ние.

До­пол­ни­тель­ные ре­ко­мен­до­ван­ные ссыл­ки на ре­сур­сы сети Ин­тер­нет

1. Ин­тер­нет-пор­тал Uroki.​net ().

2. Класс­ная фи­зи­ка ().

3. Фе­сти­валь пе­да­го­ги­че­ских идей «От­кры­тый урок» ().

До­маш­нее за­да­ние

1. П. 22, во­про­сы 1-7. Пе­рыш­кин А. В. Фи­зи­ка 8. - М.: Дрофа, 2010.

2. Какое пре­вра­ще­ние энер­гии про­ис­хо­дит в теп­ло­вых дви­га­те­лях?

3. Какие виды теп­ло­вых дви­га­те­лей вам из­вест­ны? Какие из них яв­ля­ют­ся наи­бо­лее рас­про­стра­нён­ны­ми? К ка­ко­му типу при­над­ле­жат наи­бо­лее мощ­ные теп­ло­вые дви­га­те­ли?