Transcript Document

Презентация Катуниной О.А.
Ноябрь 2012
Тепловые машины широко используют на производстве и в быту.
Автомобили перевозят грузы и пассажиров. Двигателями снабжены
самолеты и вертолеты. С помощью ракетных двигателей
осуществляются запуски искусственных спутников, космических
кораблей и станций. Двигатели внутреннего сгорания широко
используются в сельском хозяйстве. Их устанавливают на тракторах,
комбайнах, насосных станциях.
Цели урока:
• познакомить учащихся с работой и историей
создания тепловых двигателей;
• познакомить учащихся с конструкцией и
назначением основных частей ДВС;
• обратить внимание учащихся на значение
использования тепловых двигателей;
• способствовать формированию у учащихся
научно-технического мышления;
• умения воплощать научные идеи в
технические схемы моделей, конструкции.
• воспитывать бережное отношение к природе.
Историческая справка
( об изобретателях паровой машины )
1698г. Томас Сэвери (английский инженер) создал машину, которая
преобразовывала внутреннюю энергию в механическую (тепловой
двигатель) , его использовали для откачки воды из угольных шахт.
1710г. Томас Ньюкомен (английский инженер)
предложил пароатмосферный двигатель , в котором
пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. Для
возврата в нижнее положение его охлаждали, пар
конденсировался, давление в цилиндре падало и под
действием атмосферного давления поршень опускался
вниз. Затем цилиндр снова нагревали, чтобы заставить
пар толкать поршень вверх. На всё это уходило много
времени и, двигатель работал очень медленно и с
низким КПД.
Анимация схемы
парового двигателя
Ньюкомена.
- Steam показано,
розовые и синие
воды.
- Клапаны перехода
от открытой
(зеленый) к
закрытому (красный)
1766 г. Иван Иванович Ползунов. (русский изобретатель)
Иван Иванович Ползунов родился в 1728 году. Его отец был
солдатом.
В 1742 году Иван Иванович окончил первую русскую
горнозаводскую школу в Екатеринбурге и стал учеником у
главного механика уральских заводов
Когда Ползунову было двадцать лет, его вместе с другими
специалистами горнозаводского дела отправили на КолываноВоскресенские заводы Алтая. Там добывались драгоценные
металлы для царской казны.
С 1748 года Иван Иванович Ползунов работал в Барнауле техником
по учету выплавки металла, а в 33 года он стал одним из
руководителей завода.
Из оборудования на заводе были только воздуходувные мехи и
молоты для ковки металла. И их приводили в движение силой
воды. Поэтому заводы строили на берегах рек. Если река
становилась более мелководной, то производство
останавливалось.
.
Иван Иванович Ползунов решил заменить водяной двигатель и
ручной труд на «огненную машину». Для этого он разработал
чертежи двухцилиндровой паровой машины.
Для ее изготовления Ползунову пришлось сделать различные
инструменты, токарный станок для обработки металла «на
водяном ходу». При этом Ползунову удалось изготовить все
детали паровой машины всего за 13 месяцев. Некоторые
детали весили до 2720 килограммов.
В 1765 году Ползунов разработал специальный поплавковый
регулятор уровня в котле.
К сожалению, увидеть машину в работе Ползунову не удалось,
он умер за два месяца до пуска машины в эксплуатацию, 27 мая
1766 года. Его паровая машина окупила себя всего за два месяца.
К сожалению, после небольшой поломки,хозяева машины не
смогли ее починить.
1769 г. Джеймс Уатт (шотландский инженер) превзошёл
своих предшественников и учителей. Он создал
усовершенствованную паровую машину. В его двигателе
пар направлялся в отдельную камеру для конденсации,
тепловые потери двигателя были относительно
небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более
быстродействующим, поскольку можно было подавать
большее количество пара в цилиндр, как только поршень
возвращался в свое исходное положение. Для паровой
машины нашлись многочисленные практические
применения
Паровые машины обеспечивали энергию для
печатания газет, ткачества и для работы стиральных
машин в «паровых» прачечных. Паровые двигатели
использовались на площадках аттракционов, а
фермеры с помощью паровой тяги пахали землю.
Уборщики пользовались работающими на пару
пылесосами, а в престижных городских
парикмахерских были даже щетки для массажа кожи
головы с паровым приводом.
Паровые машины устанавливались на паровозы,
пароходы.
Паровые двигатели - есть ли у них какие-нибудь
преимущества перед другими двигателями. Есть
ли какие-нибудь преимущества у двигателей
внешнего сгорания вообще?
Основное преимущество парового двигателя в
том, что топливом может послужить всё, что
горит: уголь, бумага, древесина. А вот двигателям
внутреннего сгорания нужно чистое
высококачественное жидкое или газообразное
топливо
Основное назначение бензинового двигателя - это
преобразование энергии сгорания бензина в движение
так, чтобы автомобиль мог двигаться. Большое развитие
получили двигатели, в которых бензин сгорает внутри
самого двигателя. Именно поэтому они и называются
двигателями внутреннего сгорания - процесс сгорания
происходит внутри двигателя. И так, для общего
развития:
Существуют различные виды двигателей внутреннего
сгорания. Дизельный двигатели, газотурбинные
двигатели. Есть ещё роторные, двухтактные и HEMIдвигатели. У каждого вида есть свои преимущества и
недостатки.
HEMI-двигатель
Вас интересовало, что же происходит под
капотом вашего железного коня? Для
непосвященного человека двигатель
выглядит как кусок металла, опутанный
трубками и проводами. Наверное, вам
просто любопытно, что же происходит
внутри него
История ДВС
В 1860 Г француз Э. Ленуар построил устройство, в котором
горючее сжигалось внутри самого устройства. Модель была
несовершенная, КПД не превышал 3 %.
Спустя 18 лет немецкий изобретатель Отто создал двигатель
внутреннего сгорания, который работал по четырёхтактной схеме:
впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск отработанных газов. Именно
модификации этого двигателя и получили наибольшее
распространение.
Первый автомобиль с бензиновым двигателем построили в 1886
году под руководством немецкого инженера Даймлера. Большая
роль в развитии автомобилестроения принадлежит Генри Форду,
который в начале 20 века начал выпуск автомобилей с конвейера. В
России первые автомобили начали строить в начале 20 века.
Первый российский автомобиль
Яковлева и Фрезе в Нижнем Новгороде.
Бывают ещё и двигатели внешнего сгорания. Яркий
пример таких двигателей - это паровые двигатели
старых паровозов. Топливо (уголь, дерево, мазут и т. д.) в
паровом двигателе сгорает вне двигателя для того,
чтобы произвести пар, а пар в свою очередь приводит
двигатель в движение изнутри. Двигатели внутреннего
сгорания более эффективны (меньше расход топлива),
чем двигатели внешнего сгорания, а кроме того,
двигатель внутреннего сгорания намного меньше
аналогичного двигателя внешнего сгорания. Именно
поэтому, Mercedes и BMW не ставят на свои машины
паровые двигатели.
Внутреннее сгорание
Если вы поместите совсем небольшое количество
горючего (бензина, например) и подожжете его в
закрытом пространстве, скажем внутри стянутого
сапога, то сапог просто разорвется. Это происходит,
потому, что очень большое количество газа выделяется
при сгорании топлива. Вот так энергию сгорания
бензина можно превратить в разорванный сапог. А
можно её пустить на благие цели - отвезти вас с семьёй
на дачу. Например, если вы сможете зациклить процесс
сгорания так, чтобы сгораемый газ приводил в
движение механизмы с частотой в несколько сотен раз
в минуту, то считайте, что основа двигателя у вас уже
есть. Почти все двигатели в автомобилях работают в
четырехтактном цикле сгорания. Четырехтактный
цикл известен также, как цикл Отто. Он был назван так
в честь своего изобретателя Николаса Отто, который в
1867 году придумал этот цикл. Эти четыре цикла
представлены на схеме.
Это
 впуск
 сжатие
 рабочий ход
 выпуск
1такт- впуск: при повороте вала поршень опускается вниз. Объём
над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение,
клапан 1 открывается и в цилиндр входит горючая смесь. В конце
такта цилиндр заполняется горючей смесью и клапан 1 закрывается.
2 такт- сжатие: при дальнейшем повороте вала поршень начинает
двигаться вверх и сжимает горючую смесь, когда поршень доходит до
крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь возгорается от
электрической искры и быстро сгорает.
3 такт- рабочий ход: образующиеся при сгорании смеси газы давят
на поршень и он движется вниз. В этом случае двигатель совершает
работу. Этот такт называется рабочим ходом.
Во 2 и 3 тактах оба клапана закрыты.
4 такт- в конце 3 такта клапан 2 открывается и через него
продукты сгорания выходят в атмосферу. В течение такта поршень
движется вверх. В конце такта клапан 2 закрывается.
Итак, цикл двигателя состоит из 4 тактов.
В двигателе поршень движется под действием
сгорания топлива - как будто снаряд
выстреливает из пушки. Поршень соединяется с
коленчатым валом с помощью шатуна. Так как
коленвал продолжает вращение, он
перезаряжает «пушку» и она снова стреляет. А
теперь, чтобы вы лучше разобрались, мы
внимательнее посмотрим на этот цикл.
1.Поршень начинает своё
движение с верхней точки.
Впускной клапан открывается, а
поршень, двигаясь вниз,
всасывает в цилиндр топливо и
свежий воздух.
Эти действия называются тактом впуска.
Причем в цилиндр закачивается всего
несколько капель топлива - этого вполне
достаточно.
2.Затем поршень поднимается
вверх и сжимает смесь воздуха с
топливом. Чем больше сжать
смесь, тем с большей силой она
выстрелит.
3.Когда поршень достигает своей
верхней точки, свеча даёт искру,
которая подрывает горючую
смесь. Взрыв приводит поршень к
движению.
4.После того как поршень придет к
своему нижнему положению,
откроется выпускной клапан, и
выхлоп вытолкнется наружу к
выхлопной трубе
И вот двигатель уже готов к новому циклу - снова
засосать горючую смесь, выстрелить и
освободить цилиндр от выхлопа.
Заметьте что движение на выходе двигателя крутящее, хотя движение поршня при взрыве прямолинейное. Линейное движение поршней
преобразовывается в крутящее движение
двигателя с помощью коленчатого вала. Нам
как раз и нужно крутящее движение: ведь нам
надо крутить колеса автомобиля.
Название
Двигатель внутреннего сгорания — очень распространенный вид
теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри
самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.
Основные части
Двигатель состоит из цилиндра 1, в котором перемещается поршень 2,
соединенный при помощи шатуна 3 с коленчатым валом 4.В верхней
части цилиндра имеется два клапана 5, которые при работе двигателя
автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через
левый клапан в цилиндр поступает горючая смесь, которая
воспламеняется с помощью свечи 6, а через правый клапан
выпускаются отработавшие газы.
Основные понятия
Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми
точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки
до другой, называют ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе
происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за
четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.
Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
Физические принципы работы
В цилиндре двигателя периодически происходит
сгорание горючей смеси, состоящей из паров
бензина и воздуха. Температура газообразных
продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С,
давление на поршень при этом резко возрастает.
Расширяясь, газы толкают поршень, а вместе с
ним и коленчатый вал, совершая при этом
механическую работу. При этом они охлаждаются, так как часть их внутренней энергии
превращается в механическую энергию.
Затем поршень поднимается вверх и сжимает смесь
воздуха с топливом. Чем больше сжать смесь, тем с
большей силой она выстрелит.
Когда поршень достигает своей верхней точки, свеча
даёт искру, которая подрывает горючую смесь. Взрыв
приводит поршень к движению.
После того как поршень придет к своему нижнему
положению, откроется выпускной клапан, и выхлоп
вытолкнется наружу к выхлопной трубе
И вот двигатель уже готов к новому циклу
- снова засосать горючую смесь,
выстелить и освободить цилиндр от
выхлопа.
Заметьте что движение на выходе
двигателя - крутящее, хотя движение
поршня при взрыве - прямолинейное.
Линейное движение поршней
преобразовывается в крутящее движение
двигателя с помощью коленчатого вала.
Нам как раз и нужно крутящее движение:
ведь нам надо крутить колеса
автомобиля.
Тестирование.
Проверочный тест по теме
1.Тепловой двигатель был
изобретён в конце XVII века:
А. Иван Ивановичем
Ползуновым.
Б. Джеймсом Уаттом.
В. Джеймсом Джоулем.
Г. Томасом Сэвери.
Тепловыми двигателями называют машины, в
которых:
А. Кинетическая энергия превращается в
потенциальную.
Б. Механическая энергия превращается во
внутреннюю энергию.
В. Внутренняя энергия превращается в
механическую энергию
Найди правильный ответ…
За сколько оборотов коленчатого вала
совершается полный цикл работы ДВС?
А. за 1
Б. за 2
В. за 4
Во время рабочего хода поршень движется:
А. вверх и сжимает горючую смесь.
Б. вниз под действие расширяющихся нагретых
газов.
В. вниз и создаёт разряжение в цилиндре.
КПД двигателей внутреннего
сгорания:
А. 20 % - 40 %
Б. 40 % - 60%
В. 50 % - 70%
Применение двигателей
В автомобилях используют чаще всего
четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.
Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них
поочередно происходит рабочий ход и коленчатый вал все
время получает энергию от одного из поршней. Имеются и
восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые
двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность
вращения вала и имеют большую мощность.
Применение двигателей внутреннего сгорания
чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение
самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы.
Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают
на речных и морских судах. Польза двигателей несомненна.
В настоящее время мощность всех двигателей на Земле
составляет 1010 кВт. И пока она справляется, перерабатывая
углекислый газ. Однако уже с мощностью в 1012 кВт ей не
справится.
1)Дайте определение теплового двигателя.
2)Какие превращения энергии происходят в тепловом
двигатели?
3)Что такое КПД?
4)Почему КПД тепловых машин всегда меньше 100%?
А. Часть энергии идет на нагревание
деталей, окружающего воздуха.
В.Отношение полезной работы,
совершенной двигателем, к количеству
теплоты, полученному от нагревателя.
С. Часть энергии идет на нагревание
деталей, окружающего воздуха.
E.Внутренняя энергия топливаэнергия газа (пара) механическая
энергия.
D.Машина, в которой внутренняя
энергия топлива превращается в
механическую.
Можно ли ружьё считать
тепловым двигатель?
Ответ: да, можно. Так как при выстреле часть тепловой
энергии превращается в кинетическую энергию пули.
Можно ли двигатель внутреннего
сгорания использовать на
подводной лодке?
Ответ: нет, нельзя, так как недостаточно воздуха.
Наблюдение за опытом:
1. Пробирку переворачиваем вверх дном
2. Выдавливаем из картофеля кружок (пробку) так, чтобы
пробирка плотно закрылась пробкой
3. Переворачиваем пробирку вниз донышком и опускаем
ее в горячую воду
4.Наблюдаем происходящий процесс
Делаем вывод, используя ответы на вопросы:
Что произошло с внутренней энергией воздуха в
пробирке, когда ее опустили в воду?
К чему привело изменение внутренней энергии воздуха?
Что произошло с внутренней энергией воздуха в
пробирке при подъёме пробки?
Что произошло с энергией пробки?
A.Внутренняя энергия воздуха
увеличивается за счёт внутренней
энергии воды
B.Воздух совершил работу –
вытолкнул пробку
C.Внутренняя энергия воздуха
уменьшилась
D.У пробки появилась
кинетическая энергия
Почему КПД тепловых
машин всегда меньше
100%?
Часть энергии идет на
нагревание деталей,
окружающего воздуха.
Некто узнал о трёх изобретениях:
применение первого из них обещало
экономию топлива 30%, второе позволяла
надеяться на 25% экономии, а от
внедрения в практику третьего ожидали
экономию 45%. Этот человек решил
построить такую машину, в которой
применялись бы сразу все три
изобретения, рассчитывая сэкономить
30%+25%+45%=100% топлива. Насколько
обоснованы надежды “изобретателя”?
Расчеты изобретателя неверны, так как 100%ная экономия топлива означала бы
возможность осуществления вечного
двигателя. Пусть установка потребляет 100кг
топлива, тогда после первого изобретения она
будет потреблять до 70кг/ч топлива. После
применения двух изобретений одновременно
расход топлива составит 52,5кг/ч (т.к. второе
изобретение позволит экономить топливо на
25%, но уже от 70кг), и третье изобретение
снизит расход до 28,9кг/ч.
ДИНАМИЧЕСКАЯ ПАУЗА.
(Методическое обоснование: воспитывается чувство ответственности у
детей за своё здоровье, дети улучшают самочувствие)
Упражнения
1.Повторить по плакату путь пчелы, а затем нарисовать эту спираль во всю
стену- тренируют мышцы глаз.
2.Пальчиковый массаж: поглаживая поочередно пальцы рук, улучшают
работу соответствующих органов:
мизинец-сердце,
безымянный- желудок,
средний- кишечник,
указательный- печень,
большой- головной мозг.
Какая разница между бензиновым и дизельным
двигателем?
В дизельном двигателе нет свечи. В дизельном
двигателе горючая смесь из-за сжатия в цилиндре
нагревается и сама взрывается в тот момент, когда
обычно в бензиновых двигателях свеча дает искру.
Дизельные двигатели более совершенны чем
бензиновые двигатели с точки зрения
преобразования энергии, поэтому расход топлива
дизельных двигателей меньше, чем у бензиновых.
В чем разница между двухтактными и
четырехтактными двигателями?
Большинство бензопил и моторных лодок оснащаются
двухтактными двигателями. В двухтактном двигателе
нет клапанов, а свеча дает искру каждый раз, когда
поршень достигает своей верхней точки. Через
отверстие в нижней части цилиндра в камеру
сгорания закачивается горючая смесь (в момент, когда
поршень уже находится в нижней части). Затем
поршень начнет движение вверх, сожмет горючую
смесь, и искра вызовет взрыв. Поршень начнет своё
движение вниз, но, не дойдя до самого низа, даст
возможность выхлопу выйти через другое отверстие,
чтобы в низу камера сгорания опять сразу же
заполнилась горючей смесью. Двухтактные двигатели
работают на бензине с маслом, поскольку из-за особой
конструкции горючая смесь заполняет всё внутреннее
пространство двигателя, в том числе и пространство
вокруг коленвала. Горючая смесь двухтактного
двигателя - смесь воздуха, топлива и жидкого масла, в
двухтактных двигателях выполняет ещё и функцию
смазки. Поэтому в таких двигателях нет картера,
собирающего масло, а специальное жидкое масло
добавляется прямо в горючую смесь.
В общем, двухтактные двигатели намного
мощнее четырехтактных, потому что у них
подрыв горючей смеси происходит в два
раза чаще - за два такта движения поршня,
вместо четырех тактов в привычных для
нас автомобильных двигателях. Тем не
менее, конструкция двухтактных
двигателей менее совершенна, они
потребляют очень большое количество
топлива и масла, и, следовательно, очень
опасны для окружающей среды
Не во всех двигателях есть свеча для воспламенения
рабочей смеси. В дизельных двигателях воспламенение
происходит за счет резкого сжатия (при этом
увеличивается температура смеси).
Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от
сжатия сконструировал в 1897 г. немецкий инженер
Рудольф Дизель. По имени изобретателя этот двигатель
назван дизелем. В цилиндре дизеля происходит сжатие не
горючей смеси, а чистого воздуха, который разогревается
при сжатии до 650 °С. В момент подхода поршня к
верхнему положению в цилиндр подается топливо через
форсунку. В цилиндре топливо воспламеняется. Дизель
более экономичен и более полно использует топливо.
Дизельные двигатели приводят в действие
большегрузные автомобили, тракторы, суда, тепловозы.
Двигаемся на отдых!
1. Физика 11 С.В. Громов Москва: «Просвещение», 2001
2. Тематическое и поурочное планирование. Физика
10 В.А. Касьянов. Москва: «Дрофа», 2003
3. Тематическое и поурочное планирование. Физика
10 А.В. Авдеева, А.Б. Долицкий. Москва: «Дрофа»,
2003
4. Методика преподавания физики в средней школе
под редакцией С.Я. Шамаша. Москва:
«Просвещение», 1998г.
5. Преподавание молекулярной физики в средней
школе В.П. Орехов, Э.Д. Корж. Москва:
«Просвещение», 1986
Дополнительное чтение