"Тепловые двигатели и промышленный переворот" (8-й класс)

"Тепловые двигатели и промышленный переворот" (8-й класс)
Интегрированный урок (физика + история)
Цели и задачи урока
1. закрепить понятие «тепловой двигатель» и "промышленный переворот"
сформировать представление о видах тепловых двигателей и их влиянии на окружающую
среду.
2 .Развивать навыки самостоятельного поиска и обработки информации,
совершенствовать общепредметные умения и навыки (умение выделять главное,
анализировать, систематизировать ), практические навыки работы с приборами.
3. Формирование активной гражданской позиции на основе изучаемого материала
Оборудование: средства ИКТ, модели тепловых двигателей.
Ход урока
1. Орг. момент.
2. Вступительное слово учителя.
Учитель истории: “Вся история человечества при тщательном рассмотрении сводится, в
конечном счете, к истории изобретения все лучших орудий труда”.Эрнст Капп. (Слайд 2)
Эти слова стали эпиграфом нашего урока неслучайно.
Техника - это не только показатель научно-технического прогресса, это и показатель тех
общественных отношений, при которых она используется. Техника - составная часть
производительных сил общества. И на определенной ступени развития общества
материальные и производительные силы приходят в противоречия с существующими
производственными отношениями. При разрешении этих противоречий и появляются
эпохальные изобретения. Они меняют облик страны и всего мира, т. е. наступает
промышленный переворот. Назовите условия промышленного переворота.
Учитель физики: Сегодня на совместном уроке истории и физики мы отследим
“лестницу идей”, на основе которых появились новые двигатели, устройство и значение
этих двигателей в развитии техники и транспорта, а также их влияние на окружающую
среду. Для этого мы разделимся на несколько групп. 2 группы" историков", группа
"физиков-теоретиков", группа "физиков-практиков" и "экологи".
1 группа «Историки»
Провести исследование истории развития тепловых двигателей. (См. приложение 1) Отчет
о работе представить в виде презентации "Из истории создания тепловых двигателей" и
объяснить почему машина И.Ползунова в отличии от изобретения Д. Уатта оказалась
невостребованной.
·
2 группа «Физики-теоретики»
Рассмотреть принцип работы тепловых двигателей, устройство и принцип действия ДВС.
Отчет о работе представить в устной форме.
3 группа «Историки»
Поработать с источниками информации (См. приложение 2) и ответить на вопросы:
Когда начался и какие особенности имел промышленный переворот в России. Связано
ли(если связано, то каким образом) с его началом строительство железных дорог в
России? Кто создал "сухопутный пароход"?Почему между строительством первой и
второй железной дорогой в России прошло почти 10 лет?
·
4 группа «Экологи»
Рассмотреть влияние тепловых двигателей на окружающую среду. Отчет о работе
представить в виде радиопередачи.(См. приложение 3)
5. Отчет групп о проделанной работе.
6. Итог урока. Выставление оценок.
Заполнить оценочные листы(См. приложение 4). Сдать учителю.
Приложение № 1.Материал для работы в группе "Историки-1"
Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается
в механическую энергию. История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с
лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик
Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее
описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера
и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно
нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и
превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно
здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.
Во втором веке до н.э. в Александрии - культурном и богатом городе на африканском побережье
Средиземного моря - жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют
Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он
описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона
есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром. Он
представляет собой полый железный шар, закрепленный так, что может вращаться вокруг
горизонтальной оси. Из закрытого котла с кипящей водой пар по трубке поступает в шар, из шара
он вырывается наружу через изогнутые трубки, при этом шар приходит во вращение. Внутренняя
энергия пара превращается в механическую энергию вращения шара. Геронов шар - это прообраз
современных реактивных двигателей. В то время изобретение Герона не нашло применения и
осталось только забавой. Прошло 16 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники,
наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара
задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением
цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается.
Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь
и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения
вверх поршень мог бы совершать полезную работу. Несколько иначе представлял себе двигатель,
использующий энергию пара, Джованни Бранка, живший на век раньше великого Леонардо. Это
было колесо с лопатками, в второе с силой ударяла струя пара, благодаря чему колесо начинало
вращаться. По существу, это была первая паровая турбина. В XVII-XVIII веках над изобретением
паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715) и Томас Ньюкомен (1663-1729),
француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766) и многие
другие. Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень.
Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также
поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной,
Например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть
цилиндра насыпали поpox, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь
расшириться, толкали поршень вверх. После того цилиндр и поршень с наружной стороны
обливали диодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось.
Поршень под действием собственного веса и наружного атмосферного давления опускался вниз,
поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не
годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание
пороха, обливание водой, И это на протяжении всей работы двигателя!). Кроме того, применение
подобного двигателя было далеко не безопасным. Англичанин Томас Севери, построил паровой
насос для откачки воды из шахты. В его машине приготовление пара происходило вне цилиндра в котле. Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из
шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из
того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для
подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле. Машина Ньюкомена, как и все ее
предшественницы, работала прерывисто - между двумя рабочими ходами поршня была пауза.
Высотой она была с четырех-пятиэтажный дом и, следовательно, исключительно «прожорлива»:
пятьдесят лошадей еле-еле успевали подвозить ей топливо. Обслуживающий персонал состоял из
двух человек: кочегар непрерывно подбрасывал уголь в «ненасытную пасть» топки, а механик
управлял кранами, впускающими пар и холодную воду в цилиндр. Понадобилось еще 50 лет,
прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной
из отдаленных ее окраин - Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель,
солдатский сын Иван Ползунов. Ползунов построил свою «огнедействующую машину» на одном
из Барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему
жизни, В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В
отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал, и недостатки
которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина
предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее
особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось
тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного Цилиндра, как это было в машине Ньюкомена, два
попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался
вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним
рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий
ход машины осуществлялся благодаря работе пара в цилиндрах. Весной 1766-года ученики
Ползунова, спустя неделю после его смерти (он умер в 38 лет), испытали машину. Она работала в
течение 43 суток и приводила в движение мехи трех плавильных печей. Потом котел дал течь;
кожа, которой были обтянуты поршни (чтобы уменьшить зазор между стенкой цилиндра и
поршнем), истерлась, и машина остановилась навсегда. Больше ею никто не занимался.
Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое
распространение, стал английский механик Джеймс Уатт (1736-1819), он в 1784 году построил
двигатель, который годился для любых нужд. Изобретение Уатта было принято на ура. В наиболее
развитых странах Европы ручной труд на фабриках и заводах все больше и больше заменялся
работой машин. Универсальный двигатель стал необходим производству, и он был создан. В
двигателе
Уатта
применен
так
называемый
кривошипно-шатунный
механизм,
преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение
колеса. Уже потом было придумано «двойное действие» машины: направляя поочередно пар то
под поршень, то сверху поршня, Уатт превратил оба его хода (вверх и вниз) в рабочие. Машина
стала мощнее. Пар в верхнюю и нижнюю части цилиндра направлялся специальным
парораспределительным механизмом, который впоследствии был усовершенствован и назван
«золотником». Затем Уатт пришел к выводу, что вовсе не обязательно все время, пока поршень
движется, подавать в цилиндр пар. Достаточно впустить в цилиндр какую-то порцию пара и
сообщить поршню движение, а дальше этот пар начнет расширяться и перемещать поршень в
крайнее положение. Это сделало машину экономичней: меньше требовалось пара, меньше
расходовалось топлива. Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы,
моторные лодки и т.д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей.
Приложение 2
"Описание современниками Царскосельской железной дороги"
Вот идет паровоз с трубой, из которой валит дым, машина тащит за собой несколько
повозок, в которых помещается более 300 человек; сила равна силе 40 лошадей; в один час
она пробегает пространство в 30 верст. От Царского до Павловска 5 верст пробегает ровно
в 7 1 /2 минуты. К машине приделана труба другого рода, в нее, в продолжении пути, кондуктор
трубит, остерегая зрителей. Длинная вереница экипажей прилажена к паровозу: вот
огромный дилижанс, вот берлины [вид старинного экипажа для дальних переездов], шарабаны,
широкие крытые повозки с 6 рядами скамеек, на 5 человек каждая; ваго ны, повозки открытые
для помещения такого же числа пассажиров; вот огромные фуры и телеги для разной клади; вот
ряд роспусков для перевозки животных, как-то: лошадей, коров, овец, телят и птиц домашних;
вот чаны для разных жидкостей, буфеты для съестных припасов Сядем в один из экипажей. Знак
подан. Дым повалил из чугунной трубы паровоза; деревянные дома, речка промелькнули и
убежали назад... Часовая стрелка едва успела пройти 71/2 минуты, и мы в Павловске. Посмотрите на
колеса наших экипажей: средняя часть или внутренность состоит из чугуна, а наружность
выкована из железа, чтобы они при быстрой езде не лопнули.
Из истории российских железных дорог
Железные дороги крайне необходимы России... Они, можно сказать, выдуманы для неё более чем
для какой-либо другой страны Европы... Климат России и её пространства соделывают их
особенно драгоценными для нашего отечества.
П.П. Мельников
История отечественных железных дорог уходит в XVIII век. На Александровском пушечном
заводе в 1788 г. была построена первая чугунная дорога. В последующие годы была введена в
эксплуатацию дорога на сереброплавильном заводе на Алтае (1806). Возникла первая рельсовая
дорога с паровой тягой на Нижнетагильском металлургическом заводе Демидовых (1834).
Первые паровозы в России были построены русскими механиками и изобретателями, отцом и
сыном Черепановыми — Ефимом Алексеевичем и Мироном Ефимовичем, работавшими на
Нижнетагильских заводах и бывшими крепостными Демидовых. Черепановы занимались
самообразованием, посещали заводы Петербурга и Москвы. За изобретательскую деятельность
Мирону Черепанову и его жене в 1833 г. была дана вольная. Ефиму Черепанову и его жене
вольная была дана в 1836 г.
Черепановыми было создано около 20 различных паровых машин, работавших на
нижнетагильских заводах.
В 1834 г. они построили первый русский паровоз, а в 1835 г. — второй, более мощный. Но вскоре
Черепановы вынуждены были прекратить свои опыты. Хозяева предпочли дешёвый гужевой
транспорт.
Не получила поддержки и попытка наладить производство паровозов на Пожевском заводе
Всеволожских, хотя построенный там в 1839 г. паровоз «Пермяк» был даже послан на выставку в
Петербург.
Рельсовый транспорт в качестве подсобного механизма применялся в основном в горнометаллургическом производстве. Необходимость железных дорог для экономического развития
страны ещё не была осознана на государственном уровне.
В то время как за рубежом первые участки железных дорог общего пользования уже вводились в
эксплуатацию, ведомство путей сообщения России, рассмотрев в 1826 г. вопрос о строительстве
железных дорог общего назначения, сочло его экономически невыгодным.
Однако преимущества железных дорог, построенных в Англии в 1825—1830 гг. и приносящих
значительные прибыли, а также запуск в 1829 г. паровоза Стефенсона всё же произвели
впечатление на российского императора.
15 апреля 1836 г. был опубликован указ Николая I о сооружении Царскосельской железной
дороги — исключительно в виде опыта, целью которого было испробовать, насколько наш климат
допускает возможность сооружать в стране рельсовые пути.
30 октября 1837 г. дорога между Петербургом и Царским селом была официально открыта, а через
полгода ввели в эксплуатацию участок дороги между Царским селом и Павловском.
Современники так описывали Царскосельскую дорогу: «Вот идёт паровоз с трубой, из которой
валит дым; машина тащит за собой несколько повозок, в которых помещается более 300 человек;
сила равна силе 40 лошадей; в один час она пробегает пространство в 30 вёрст. От Царского до
Павловска 5 вёрст пробегает ровно в 7 с половиной минут.
К машине приделана труба другого рода, в неё, в продолжение пути, кондуктор трубит, остерегая
зрителей.
Длинная вереница экипажей прилажена к паровозу: вот огромный дилижанс, вот берлины,
шарабаны, широкие крытые повозки с шестью рядами скамеек на пять человек каждая; вагоны,
повозки открытые для помещения такого же числа пассажиров; вот огромные фуры и телеги для
разной клади; вот ряд роспусков для перевозки животных: лошадей, коров, овец, телят и птиц
домашних; вот чаны для разных жидкостей, буфеты для съестных припасов».
Первая российская дорога длиною в 25 вёрст, шириной колеи в 0,857 саженей (182,85 см) была
построена за год и восемь месяцев. Специально образованное акционерное Общество
Царскосельской железной дороги израсходовало на её сооружение 5 млн. рублей ассигнациями.
Она понравилась столичным жителям. В газетах появились восторженные отзывы о паровозах,
которые « ходили при восемнадцати градусах мороза, в бурю, дождь и ужасную метель»,
отмечалось, что , кроме пассажиров, «перевозимы были лошади, овцы, свиньи, строевой лес и
разные экипажи».Однако против сторительства железных дорог выступил главноуправляющий
путями сообщения П.А.Клейнмихель. Он считал, что в России строительство железных дорог
вызовет ускоренное развитие промышленности, а это «скорее зло, нежели благодеяние».Перевозка
пассажиров по железной дороге, -говорил он,- есть самое демократическое учреждение, какое
только можно было придумать для преобразования государства».
Решительный поворот в железнодорожной политике произошёл спустя несколько лет.
Вернувшиеся из Америки инженеры П.П.Мельников и Н.О.Крафт подготовили обстоятельный
доклад, содержавший информацию об иностранных железных дорогах.
Особое внимание обращалось на экономическую значимость и культурную полезность железных
дорог. Тем более что в условиях происходившего в России в те годы промышленного переворота
совершенствование средств транспорта позволяло более оперативно решать многие
хозяйственные вопросы.
Железнодорожный транспорт отличался быстротой движения, непрерывностью и всепогодностью,
гарантиями сроков доставок и дешевизной перевозок, что делало его преимущества в сравнении с
другими видами перемещений того времени очевидными.
1 февраля 1842 г. император подписал указ, в соответствии с которым предполагалось начать
строительство Санкт-Петербурго-Московской железной дороги. Инициатором строительства этой
первостепенной магистрали на сей раз выступило правительство, возложившее на казну
финансирование этого предприятия.
При этом Николай I не препятствовал подробному изучению и рассмотрению правительственным
органами предложений частных предпринимателей о строительстве тех или иных рельсовых
путей.
11 августа 1842 г. был образован Департамент железных дорог, в котором сосредоточились все
распоряжения о постройке новой линии, а впоследствии и других рельсовых путей.
Строительство дороги началось летом 1843 г. на основе проекта П.П.Мельникова, Н.О.Крафта и
А.Д.Готмана. Дорога была задумана как двухколесный путь по кратчайшему направлению длиной
около 604 верст. Первоначально определённая сумма, отведённая на строительство, составляла 43
млн. рублей серебром.
Трасса была построена за восемь с половиной лет и обошлась казне в 66млн. 850 тыс. рублей
серебром, что оказалось дешевле многих иностранных железных дорог. Относительная дешевизна
строительства достигалась за счёт нестандартных инженерных решений, массового использования
крепостного труда, применения специализации и поточного метода производства работ.
В процессе проектирования и сооружения дороги определились и параметры, которые в
дальнейшем учитывались в железнодорожном строительстве. Так, ширина колеи в 1524 мм стала
общегосударственной на сети железных дорог — вплоть до нашего времени. Кроме того были
разработаны основы размещения станций и т.д.
Сооружением вокзалов по предписанию Николая I занимались не инженеры, а архитекторы. Для
этого пригласили двух известных зодчих — К.А.Тона и Р.А.Желязевича.
К.А.Тон проектировал главные здания вокзалов на магистрали — Московский и Петербургский.
Они были завершены в 1851—1852 гг.
Официальное открытие крупнейшей в Европе двухпутной дороги состоялось 1 ноября 1851 г.
Газета «Северная пчела» восторженно писала об отправлении в 11 часов 15 минут первого
«общенародного поезда», который через 21 час 45 минут благополучно прибыл в Москву.
Дорога носила название Санкт-Петербурго-Московская, а после кончины императора Николая I, в
1855 г., была переименована в Николаевскую.
Дорога работает исправно по сегодняшний день вот уже более 160 лет.
Начало промышленного переворота. Под промышленным переворотом понимают
исторический период переходи от мануфактуры — предприятия, основанного на ручном
труде, — к машинному производству. Этот переворот характеризуется не только изменениями в
технике, но и Переменами во внутреннем устройстве общества, которые ведут к образованию
новых классов — буржуазии и пролетариата (наемных рабочих). Завершение промышленного
переворота связано с переходом от аграрного общества к индустриальному.
В России промышленный переворот начался в 30— 40-е гг. XIX в. и имел ряд
особенностей:
— в отличие от Англии и Франции, он начался в условиях сохранения господства
феодально-крепостнической системы;
— он начался и завершился значительно позже, чем в ряде стран Западной Европы;
— до отмены крепостного права он проявлялся в основном лишь в технической стороне
переходе к машинному производству, а появление и рост буржуазии и пролетариата
происходили преимущественно после отмены.
К концу царствования Николая I в России насчитывать уже более 14 тыс.
промышленных предприятий, на Которых работало более 800 тыс. рабочих.
Промышленный переворот начался в первую очередь в хлопчатобумажной промышленности,
где к концу 50-х гг. паровыми двигателями приводилось в действие уже более 1,6 млн
веретен. В металлургии начали появляться прокатные станы. Осуществлялись первые опыты
по применению новых способов получения металла. Развивалось машиностроение. На
промышленных выставках в Петербурге и Москве в конце 20-х — начале 30-х гг. были
представлены образцы продукции русского машиностроения: мировые машины, токарные
станки, сеялки.
С середины 30-х гг. началось железнодорожное строительство. Вслед за первой железной
дорогой из Петербурга в Царское Село, построенной в 1837 г., были пущены ВаршавскоВенская (1848) и Николаевская, соединившая Петербург с Москвой (1851).
Развивалось пароходство на Волге, Каме, Днепре, Бал-II иском, Черном и Азовском морях.
Приложение №3.Примерные вопросы к радиопередаче.
1. Толчком к ухудшению экологической обстановки послужило изобретение паровой
машины. В связи с этим возникло понятие «ТЕПЛОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ».
2. В большинстве двигателей превращение внутренней энергии в механическую,
происходит за счет сгорания топлива. Объясните, как это влияет на окружающую среду.
3. ДВС существенно облегчили нам жизнь, дав транспорт. Но всё ли так хорошо? Как
влияют автомобильные двигатели на состояние окружающей среды и здоровья человека?
4.Работа ДВС отрицательно влияет на состояние окружающей среды. Может, другие типы
двигателей наносят меньший вред окружающий среде?
5.Если тепловые двигатели наносят такой вред окружающей среде, зачем их используют?
6.Какими вы видите пути уменьшения загрязнения окружающей среды?
Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых
электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.
Тепловые двигатели- паровые турбины- устанавливают также на всех АЭС для получения
пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта
преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном- поршневые
двигатели внутреннего сгорания; на водном- ДВС и паровые турбины; на ж/д- тепловозы с
дизельными установками; в авиации- поршневые, турбореактивные и реактивные
двигатели. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели
бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного
транспорта. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с
действием различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего
содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.
В третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными
соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно
выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца.
Один из путей уменьшения путей загрязнения окружающей среды- использованием в
автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых
не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки автомобилей, в
которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели,
использующие в качестве топлива водород.
Выбросы вредных веществ в атмосферу- не единственная сторона воздействия энергетики
на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и
механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в
окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к
постепенному повышению средней температуры на земле. Одно из направлений,
связанное с охраной окружающей среды, это увеличение эффективности использования
энергии, борьба за её экономию
Приложение 4
№
п/п
1
2
3
4
5
Фамилия,
имя
Оценка
группы
Дополнительные
баллы
Итог
№
п/п
Фамилия,
имя
Оценка
группы
Дополнительные
баллы
Итог
Фамилия,
имя
Оценка
группы
Дополнительные
баллы
Итог
Фамилия,
имя
Оценка
группы
Дополнительные
баллы
Итог
Фамилия,
имя
Оценка
группы
Дополнительные
баллы
Итог
1
2
3
4
5
№
п/п
1
2
3
4
5
№
п/п
1
2
3
4
5
6
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8