Изобретение автомобиля и паровоза - Изменение агрегатных состояний вещества

Цели: познакомиться с историей создания автомобиля и паровоза.

Ход урока

I. Повторение. Проверка домашнего задания

При повторении материала проверку знаний можно провести фронтально, работая по карточкам, в которых может быть 5-7 вопросов и задач из следующего набора:

- Какие виды энергии преобразуются из одного вида в другой при работе паровой машины?

- Для чего служат машины?

- Может ли машина иметь КПД равным 100%? Почему?

- Как определить коэффициент полезного действия машины?

- Какие преобразования энергии происходят при работе ветряного колеса?

- При нагревании паров эфира в трубке, закрытой пробкой, они вылетает из трубки. Можно ли сказать, что это работа тепловой машины?

- Тепловая машина, получив 4000 Дж тепла, совершила работу в 1 кДж. Определите КПД машины.

- КПД машины 40%. Определите работу, которую совершила машина, если она получила 6 кДж тепла.

- Как можно повысить КПД тепловой машины?

- Зависит ли мощность тепловой машины от величины полезной работы, совершаемой машиной? Почему?

II. Изучение нового материала

При объяснении нового материала основное внимание нужно уделить пониманию учениками неизбежности применения всех открытий в физике в повседневной деятельности людей. Создание паровой машины Уатта, открытие деления ядер урана, создание полупроводников - все это нашло отражение в создании новых машин, приборов, источников энергии и так далее. Процесс внедрения новых машин и технологий в сферу человеческой деятельности обычно бывает тернист и сложен.

Внедрение паровых котлов и машин в производство имело не только несомненные достоинства, но и недостатки. Неполадки в котлах приводили к их частым взрывам и человеческим жертвам. Несомненно, это тормозило развитие отрасли, но процесс развития продолжался.

Знаменательной вехой в развитии паровых машин является 1770 год, когда французский инженер Ж. Кюньо построил первую самодвижущуюся тележку (лафет) для перевозки тяжелых орудий. Она приводилась в движение за счет энергии пара. Конечно, она была несовершенна и громоздка, ее КПД был очень мал.

Далее паровые котлы стали устанавливать на дилижансах для перевозки грузов и пассажиров. Трагедии, которые случались при эксплуатации дилижансов и паровых автомобилей, тормозили внедрение паровых машин, но остановить развитие паровых машин уже было нельзя. Паровые машины не могли развивать скорости более 10 км/ч.

Логическим продолжением развития паровых котлов явилось создание в 1803 году первого паровоза. Его построил англичанин Ричард Тревитик. Первая модель была неудачна как по конструкции, так и по невозможности применения на конной чугунной дороге - паровоз ломал рельсы.

Вторая модель уже развивала скорость до 30 км/ч. Но и эта модель лишь применялась для демонстрации перевозок. Широкого применения эти модели не получили прежде всего из-за непонимания большинством промышленников выгоды от этих устройств. Господствовало убеждение, что паровоз не сможет тянуть состав, вес которого больше веса паровоза.

Позднее доказали необоснованность этих предположений, но время уходило. Перелом в развитии железнодорожного транспорта наступил в 1823 году, когда английский инженер Джордж Стефенсон построил первый паровозостроительный завод. Лучшие модели паровозов Стефенсона развивали скорость до 50 км/ч. Сеть железных дорог начала неуклонно расти по Европе.

В России первый паровоз изобрели и построили в 1834 г. мастера Черепановы.

За более чем столетний период развития паровозов были построены очень удачные и экономичные для данного типа тепловых машин устройства. Лишь ближе к середине XX века на смену паровозам стали приходить электровозы и тепловозы.

В тепловозах вместо паровых машин стали применять двигатели внутреннего сгорания, а на электровозах - электрические двигатели. Скорости современных тепловозов и электровозов существенно отличаются от скоростей паровозов. Например:

Тепловоз ТЭ10Л - скорость до 100 км/ч.

Тепловоз ТЭП60 - скорость до 160 км/ч.

Электровоз ЭР-200 - скорость до 200 км/ч.

Сейчас созданы и более совершенные и экономичные модели тепловозов и электровозов.

II. Доклады учащихся

Оставшуюся часть урока можно посвятить прослушиванию докладов, подготовленных учениками.

Домашнее задание

1. § 45 учебника; вопросы и задания к параграфу.

2. Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку доклады по теме «Двигатель внутреннего сгорания».

Дополнительный материал

Ефим Алексеевич Черепанов

(1774-1842)

Мирон Ефимович Черепанов

(1803-1849)

Ефим Алексеевич и Мирон Ефимович Черепановы отец и сын - замечательные русские изобретатели-самоучки. Они были крепостными уральских горнозаводчиков Демидовых. Лишь на 60-м году жизни отец и в 33 года сын получили вольную за изобретательскую деятельность. Талантливых механиков их хозяева горнозаводчики Демидовы направляли для ознакомления с достижениями техники в Петербург и за рубеж - в Швецию, Англию.

Русские самоучки успешно переняли там передовой технический опыт, изучали технические новинки.

Полученный опыт и природный талант позволили Черепановым изготовить более 20 оригинальных паровых ламп разной мощностью, создать ряд уникальных станков - токарных, винторезных, строгальных, гвоздильных и других.

Но самым замечательным делом Ефима Алексеевича и Мирона Ефимовича Черепановых стало строительство первой отечественной железной дороги и самых первых в мире паровозов.

Скорость первого «сухопутного парохода» - паровоза, построенного в 1834 г., была 15 км/ч. Но именно с этого паровоза и с этой дороги начинается история железнодорожного транспорта в нашей стране.

Уатт Джеймс

(19 января 1736-25 августа 1819)

Уатт Джеймс - выдающийся английский изобретатель. Родился в г. Гриноке в Шотландии. С 1757 г. работал механиком университета в Глазго и там же открыл мастерскую для изготовления и ремонта точных приборов. Здесь (консультируясь с английским ученым Дж. Блэком) исследовал свойства водяного пара с высокой для того времени точностью. Построенные им кривые зависимости температуры насыщенного пара от давления достаточно близко совпадают с современным в исследованном им интервале давлений.

В 1763 г. Уатт, работая над усовершенствованием действующей модели насосного парового двигателя Т. Ньюкомена, пришел к важному выводу о необходимости поддерживать цилиндр двигателя горячим. В 1765 г. этот вывод был подкреплен обширными экспериментами над моделью парового двигателя принудительно нового типа. Двигатель был снабжен отдаленным от цилиндра сепаратным поверхностным конденсатором и насосом для откачивания конденсата и воздуха.

В 1768 г. Уатт вместе с оказавшим ему денежную поддержку владельцем Карронского завода Робаком подал заявление о выдаче патента на «способы уменьшения потребления пара и вследствие этого-топлива в огненных машинах».

В полученном ими в 1769 г. Английском патенте (№ 013) излагался ряд новых технических положений, использованных Уаттом в своем двигателе:

1) поддержание температуры стенок цилиндра равной температуре поступающего в него пара за счет тепловой изоляции, тепловой рубашки и отсутствия контакта с холодными телами;

2) конденсация пара в отдельном сосуде-конденсаторе, температура в котором должна была поддерживаться на уровне окружающей среды;

3) удаление из конденсатора воздуха и других неконденсирующихся тел посредством насосов;

4) применение избыточного давления с выхлопом в атмосферу;

5) применение «коловратных» машин с однонаправленно вращающимся поршнем;

6) работа с неполной конденсацией (то есть с ухудшенным вакуумом). В этом же пункте патента описаны конструкции уплотнения поршня и отдельных деталей.

При применявшихся в то время давлениях пара в 1 ата введение отдельного конденсатора и откачка воздуха из него означали реальную возможность снижения расхода пара и топлива более чем а двое.

Попытка построить в 1769 г. насосную паровую установку отдаленным конденсатором на Карронском заводе оказалась неудачной, Так как не смогли обеспечить необходимую обработку и плотность соединений. Позднее детали этой установки были улучшены и использованы при постройке новой машины на заводе крупного английского промышленника М. Болтона, которому Робак передал свои права. Новая машина, законченная в 1784 г., прошла длительные испытания, которые показали, что, сжигая 1 кг угля, она может пройти 60000 км, что более чем вдвое превышало эффективность лучших машин Уатта на шахтах.

Уатт детально исследовал процесс расширения пара в цилиндре двигателя, сконструировав для этой цели первый индикатор. Исследования показали выгодность применения расширения пара, и в 1782 г. Уатт получил английский патент № 1321 на паровой двигатель с расширением. Для компенсации потери мощности, вызываемой расширением пара в цилиндре того же объема, Уатт пришел к мысли использовать вторую половину цилиндра двигателя, создав, таким образом, цилиндр двойного действия. Для получения вращательного двигателя вала двигателя (что было особенно важно в связи с внедрением новых текстильных машин) Уатт, сохранив балансир, применил вместо кривошипно-шатунного механизма (запатентованного ранее в Англии: в 1779 г. М. Васбру и в 1780 г. Дж. Пикаром) планетарную зубчатую передачу. Другой конец балансира Уатт соединил со штоком двигателя при помощи изобретенного им механизма, то есть параллелограмма Уатта.

Указанные постеленные усовершенствования, которые Уатт вносил в паровой двигатель, позволили ему в 1784 г. получить патент на универсальный по применению паровой двигатель (английский патент № 1432). В этом двигателе Уатт ввел впервые центробежный регулятор с дроссельной заслонкой для поддержания постоянства числа оборотов вала. Универсальный двигатель Уатта благодаря его экономичности получил широкое распространение и сыграл большую роль в переходе к капиталистическому машинному производству. «Великий гений Уатта, - писал К. Маркс, - обнаруживается в том, что патент, взятый им в апреле 1784 г., давая описание паровой машины, изображает ее не как изобретение лишь для особых целей, но как универсальный двигатель крупной промышленности». Только завод Уатта и Болтона к 1800 г. построил свыше 250 паровых машин, а к 1826 г. в Англии насчитывалось до 1500 машин с общей мощностью 80 000 л. с. За редким исключением это были машины уаттовского типа. После 1784 г. Уатт занимался улучшением производства паровых машин на своем заводе; после 1800 г. вовсе устранился от дел.